细晶TiAl基合金制备及组织和性能研究

论文摘要

步球磨法制的Ti-47Al（at.%）粉末在900℃和1000℃温度下烧结时,块体材料的组织为等轴晶的γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相,晶粒尺寸为亚微米级;当烧结温度为1100℃时,块体材料由γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相,晶粒尺寸为亚微米级的等轴晶组织和少量TiAl、Ti3Al层片晶团组成。合金元素添加对TiAl合金组织具有显著影响,Cr、B等元素的添加,抑制晶粒长大;双步球磨法下Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta粉末,在900℃、1000℃、1100℃温度下烧结时,块体材料的组织均为γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相,晶粒尺寸为亚微米级的等轴晶及针状TiB2组织;随着烧结温度的提高,TiAl块体材料的致密化程度提高,而烧结组织晶粒尺寸变化不大。对等离子烧结材料进行力学性能测试,实验结果表明,等离子烧结获取材料的性能和烧结温度密切相关。单步球磨法获取Ti-47Al粉末,在温度为900℃、保温5min压力为50MPa条件下,烧结块体压缩断裂强度为1963MPa,压缩率为4.0%,压缩屈服强度1722MPa,抗弯强度610MPa,其硬度为686Hv;双步球磨法结合等离子烧结的块体材料的抗压强度比一步球磨法结合等离子烧结的块体材料的抗压强度高100-200MPa,压缩率降低0.3-0.7%,抗弯强度提高100-370MPa。合金元素对等离子烧结烧结TiAl基合金性能具有重要影响,双步球磨法下获取Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B合金与Ti-47Al合金相比较,Cr、B等元素的添加,明显提高块体材料压缩塑性,在900℃下烧结Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B合金的块体材料的压缩率为5.0%,而Ti-47Al合金的压缩率为3.7%。添加B元素显著提高了块体材料的抗压强度和断裂强度,与同等烧结条件Ti-47Al合金相比其抗压强度和断裂强度提高100-200MPa。步球磨法制的Ti-47Al（at.%）粉末在900℃和1000℃温度下烧结时,块体材料的组织为等轴晶的γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相,晶粒尺寸为亚微米级;当烧结温度为1100℃时,块体材料由γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相,晶粒尺寸为亚微米级的等轴晶组织和少量TiAl、Ti3Al层片晶团组成。合金元素添加对TiAl合金组织具有显著影响,Cr、B等元素的添加,抑制晶粒长大;双步球磨法下Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta粉末,在900℃、1000℃、1100℃温度下烧结时,块体材料的组织均为γ-TiAl和少量Ti3Al、Ti2Al相,晶粒尺寸为亚微米级的等轴晶及针状TiB2组织;随着烧结温度的提高,TiAl块体材料的致密化程度提高,而烧结组织晶粒尺寸变化不大。对等离子烧结材料进行力学性能测试,实验结果表明,等离子烧结获取材料的性能和烧结温度密切相关。单步球磨法获取Ti-47Al粉末,在温度为900℃、保温5min压力为50MPa条件下,烧结块体压缩断裂强度为1963MPa,压缩率为4.0%,压缩屈服强度1722MPa,抗弯强度610MPa,其硬度为686Hv;双步球磨法结合等离子烧结的块体材料的抗压强度比一步球磨法结合等离子烧结的块体材料的抗压强度高100-200MPa,压缩率降低0.3-0.7%,抗弯强度提高100-370MPa。合金元素对等离子烧结烧结TiAl基合金性能具有重要影响,双步球磨法下获取Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B合金与Ti-47Al合金相比较,Cr、B等元素的添加,明显提高块体材料压缩塑性,在900℃下烧结Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B合金的块体材料的压缩率为5.0%,而Ti-47Al合金的压缩率为3.7%。添加B元素显著提高了块体材料的抗压强度和断裂强度,与同等烧结条件Ti-47Al合金相比其抗压强度和断裂强度提高100-200MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 TiAl 基合金成分、显微组织及性能
• 1.2.1 TiAl 合金的晶体结构及二元相图
• 1.2.2 TiAl 合金显微组织
• 1.2.3 TiAl 合金性能
• 1.3 合金中元素设计及影响
• 1.4 TiAl 基合金制备工艺
• 1.5 机械合金化及后续固结制备纳米TiAl 材料发展现状
• 1.5.1 纳米结构材料及结构特点
• 1.5.2 纳米结构材料的机械性能
• 1.5.3 纳米结构材料的物理性能
• 1.5.4 机械合金化法制备TiAl 纳米结构粉末研究现状
• 1.6 选题意义
• 1.7 主要研究内容
• 第2章 实验材料及研究方法
• 2.1 材料制备
• 2.1.1 实验用原材料
• 2.1.2 TiAl 粉体制备工艺设备
• 2.1.3 粉体烧结制备TiAl 合金工艺设备
• 2.2 TiAl 基合金性能测试
• 2.2.1 密度
• 2.2.2 硬度
• 2.2.3 抗弯强度
• 2.2.4 拉伸性能测试
• 2.2.5 压缩性能测试
• 2.3 TiAl 基合金组织结构分析
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 差热分析（DTA）
• 2.3.3 扫描电子显微镜分析
• 2.3.4 透射电子显微镜分析
• 第3章 机械球磨制备Ti/Al 复合粉/合金粉的研究
• 3.1 引言
• 3.2 低（室）温球磨法制备Ti/Al 基复合粉末显微结构演化
• 3.2.1 实验过程
• 3.2.2 低（室）温球磨法下Ti-47Al（at.%）粉末显微结构演化
• 3.2.3 低（室）温球磨 Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta（at.%）粉末显微结构演化
• 3.3 单步球磨法制备Ti/Al 基复合粉末显微结构演化
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 粉末球磨物相及显微结构分析
• 3.4 双步球磨法制备纳米晶结构TiAl 基合金粉末
• 3.4.1 实验过程
• 3.4.2 Ti-47Al （at.%）粉末在球磨及热处理过程中形貌及结构演变
• 3.4.3 Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta（at.%）粉末球磨及热处理过程中形貌及结构演变
• 3.5 球磨过程分析
• 3.5.1 机械合金化球磨机理
• 3.5.2 球磨温度及成份对球磨过程的影响
• 3.5.3 球磨工艺对球磨过程的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 TiAl 基合金烧结过程的组织和相演变分析
• 4.1 引言
• 4.2 热等静压法制备TiAl 基合金的显微组织
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 热等静压烧结后的密度
• 4.2.3 致密化过程分析
• 4.2.4 相组成及显微组织
• 4.3 等离子烧结制备TiAl 基合金显微组织研究
• 4.3.1 等离子烧结制备TiAl 基合金实验过程
• 4.3.2 单步球磨法下Ti-47Al 复合粉末等离子烧结
• 4.3.3 双步球磨法下Ti-47Al 合金粉末等离子烧结
• 4.4 双步球磨法下Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5Ta 合金粉末等离子烧结
• 4.4.1 烧结体相分析
• 2 相形成分析'>4.4.2 TiB₂相形成分析
• 4.4.3 烧结体致密度
• 4.4.4 显微组织分析
• 4.5 球磨工艺对烧结组织的影响
• 4.6 成份对双步球磨法下等离子烧结块体组织的影响
• 4.7 烧结过程致密化化理论分析
• 4.7.1 烧结过程
• 4.7.2 初始加压及放电过程
• 4.7.3 烧结扩散
• 4.8 本章小结
• 第5章 细晶TiAl 基合金的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 热等静压烧结制备TiAl 合金的力学性能
• 5.2.1 拉伸性能
• 5.2.2 可成型性分析
• 5.3 等离子烧结制备TiAl 基合金的力学性能
• 5.3.1 等离子体烧结单步球磨粉末所制备的二元 Ti-47at% Al 合金的力学性能
• 5.3.2 等离子体烧结双步球磨粉末制备Ti-47at% Al 合金的力学性能
• 5.3.3 等离子体烧结双步球磨粉末所制备的多元 Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B-0.5 Ta 合金的力学性能
• 5.3.4 粉末球磨工艺对烧结体材料性能的影响
• 5.3.5 合金元素对等离子烧结块体性能的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历