含B2相的TiAl基合金及其低温超塑性的研究

论文摘要

含B2相的γ-TiAl基合金在高温下有良好的变形能力,是一种具有重要应用前景的新型高温材料。本文设计了新型含B2相的Ti-Al-Fe-Mo系合金,系统、深入地研究了TiAl合金体系的成分、结构、组织与性能的相关性,建立了该TiAl合金的凝固过程和不连续动态再结晶诱导超塑性变形的模型,较好地改善了γ-TiAl基合金变形难的问题,并成功制备出TiAl基合金薄板材,为开发具有良好成型性和高温性能的新型TiAl基合金材料提供了重要参考。利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子探针微区分析（EPMA）、差热分析（DSC）、透射电镜（TEM）等分析手段,开展了相关的研究工作及理论分析,主要探讨含B2相的TiAl基合金三个方面的内容,其中包括B2的形成：研究体系的相平衡与扩散,确定在TiAl基合金中β稳定性元素Mo和Fe的成分与其组织的相关性；B2相的可控性：研究优化设计含B2相的TiAl合金的成分和热处理工艺,调控B2相的含量和分布；以及B2相的作用：研究含B2相的TiAl合金的热变形能力,并探讨诱导TiAl合金发生超塑性行为的机理。取得如下成果：1)采用多元扩散偶技术研究900℃多元Ti-Al-Fe-Mo系的相关系,建立了近γ相区域的局部等温截面相图以及相平衡与扩散的数据库,探讨了Ti、Al、Fe和Mo元素在不同相中的扩散能力,确定了近γ相区域含B2相的单相区、双相和三相共存区中各元素成分分布,并研究了Ti-Mo、Ti-Al等体系的成分-结构-性能的相关性,为设计含B2相的TiAl合金提供重要依据。2)确立了含B2相的TiAl基合金的凝固过程模型。研究β稳定性元素Mo和Fe的成分与Ti-45A1基合金的组织之间的相关性,B2相随Mo和Fe含量的增加而增多,经优化设计后的Ti-45Al-3Fe-2Mo合金具有组织细小、热变形行为良好的特点,其凝固过程为L→L+βprimary→βprimary+α→α→α+（α’+γ）→（α’+γ）层片+（β’+γ）等轴→（α2+γ）层片+（B2+γ）等轴。3)建立了含B2相的TiAl合金的热变形行为机制和热加工图。Ti-45A1-3Fe-2Mo合金是一种温度、应变速率敏感的材料,高温压缩变形时的本构方程为ε=e23.118[sinh（0.0138σ）]3.45exp（-292.43/RT）。热加工图表明温度800℃左右时,压缩变形的应变速率应低于0.056s-1,在800-1100℃压缩过程中应变速率不应高于0.18s-1。当应变速率较高时,应根据加工图选择适当较高的变形温度。4)建立了含B2相的TiAl合金的不连续动态再结晶诱导超塑性的变形机制和模型。Ti-45Al-3Fe-2Mo合金为含B2相的TiAl合金,在790。C具有良好的低温超塑性变形行为；B2相的不连续动态再结晶,有利于层片晶团的扭转和拉长以及晶界滑移等共同软化与应变硬化的协调往复作用,缓解变形带来的应力集中,延缓孔洞的产生、聚合和连接,促使合金发生超塑性变形,直至超过材料的极限而断裂。本文含图88幅,表22个,参考文献162篇。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 含B2相的γ-TiAl基合金的研究现状
• 1.3 含B2相的γ-TiAl基合金的成分-结构-性能相关性
• 1.3.1 成分与组织结构的相关性
• 1.3.1.1 结构与特性
• 1.3.1.2 相图与相的转变
• 1.3.1.3 扩散
• 1.3.1.4 合金化
• 1.3.2 组织与性能的相关性
• 1.3.2.1 含B2相的TiAl基合金组织形貌
• 1.3.2.2 含B2相的合金组织调控
• 1.3.2.3 含B2相的TiAl基合金的性能
• 1.4 变形与超塑性
• 1.4.1 TiAl基合金的变形
• 1.4.2 超塑性变形
• 1.4.3 TiAl基合金的超塑性变形
• 1.4.4 含B2相的TiAl基合金的超塑性变形
• 1.5 TiAl合金超塑性的应用
• 1.6 选题意义
• 1.7 研究方法和路线
• 2 Ti-Al-Fe-Mo体系的扩散与相平衡
• 2.1 多元扩散偶技术
• 2.2 实验方法与过程
• 2.3 Ti-Al-Fe-Mo体系的扩散
• 3互扩散体系'>2.3.1 Ti-TiAl₃互扩散体系
• 2.3.2 Ti/Fe/Mo互扩散体系
• 3Mo₂互扩散体系'>2.3.3 Ti-Fe₃Mo₂互扩散体系
• 3-Mo/Fe互扩散体系'>2.3.4 Ti-TiAl₃-Mo/Fe互扩散体系
• 3-Fe₃Mo₂互扩散体系'>2.3.5 TiAl₃-Fe₃Mo₂互扩散体系
• 3-Fe₃Mo₂互扩散体系'>2.3.6 Ti-TiAl₃-Fe₃Mo₂互扩散体系
• 2.4 Ti-Al-Fe-Mo体系的平衡
• 2.4.1 平衡状态
• 2.4.2 Ti-Al-Fe/Mo体系的三元相平衡与相图
• 2.4.3 Ti-TiAl3-FeMo体系的相平衡与相图
• 2.5 Ti-Al-Fe-Mo体系成分-结构-性能的相关性
• 2.5.1 Ti-Mo扩散体系
• 3扩散体系'>2.5.2 Ti-TiAl₃扩散体系
• 2.5.3 其它扩散体系
• 2.6 本章小结
• 3 元素Fe和Mo对Ti-45Al基合金组织的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 Fe对Ti-45Al基合金的组织影响
• 3.3.2 Mo对Ti-45Al基合金的组织影响
• 3.3.3 Fe和Mo对Ti-45Al基合金的组织影响
• 3.3.4 Ti-45Al-3Fe-2Mo合金的组织和性能
• 3.4 分析讨论
• 3.4.1 凝固路线
• 3.4.2 固液相转变
• 3.4.3 含B2相的TiAl合金的凝固过程模型
• 3.4.4 含B2相的TiAl合金的晶粒细化机制
• 3.5 组织调控
• 3.6 本章小结
• 4 Ti-45Al-3Fe-2Mo合金的高温变形行为
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.3 实验结果
• 4.4 分析讨论
• 4.4.1 应变速率对流变应力的影响
• 4.4.2 温度对流变应力的影响
• 4.4.3 变形激活能的确定
• 4.4.4 Ti-45Al-3Fe-2Mo合金流变应力方程
• 4.4.5 Ti-45Al-3Fe-2Mo合金加工图
• 4.4.6 压缩变形后的组织
• 4.4.7 Deform 3D变形模拟与锻压
• 4.5 本章小结
• 5 动态再结晶诱导的低温超塑性
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 成分与组织
• 5.3.2 力学性能
• 5.3.3 超塑性行为
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 超塑性变形中相的形态
• 2+γ）层片'>5.4.1.1 （α₂+γ）层片
• 5.4.1.2 γ相
• 5.4.1.3 B2相
• 5.4.2 超塑性变形过程中的孔洞与材料断裂
• 5.4.3 动态再结晶诱导的超塑性变形机制与模型
• 5.5 板材轧制与应用
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要研究成果
• 致谢