论文题目: Ti-Al-Nb三元系中的合金组织对性能的影响
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 丁晓非
导师: 王富岗,谭毅
关键词: 三元合金,高温抗氧化性能,压缩和拉伸性能,热处理
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文参考了大量Ti-Al-Nb系各个温度下的三元相图,以及合金元素对二元Ti-Al相图的影响等文献,在Ti、Al等原子比的基础上,调整Nb的量设计并制备了一系列Ti-Al-Nb三元合金。合金设计的目的是为了获得不同相组成的合金。采用示差热分析方法、X射线衍射分析、电子探针背散射电子成分像及微区成分分析、透射电镜明场像及选区电子衍射以及光学显微组织分析等多种手段确定了在不同温度下实验材料的显微组织形貌及相组成。所有实验样品在实验前都经过1473K,5小时的均匀化处理。 首先,我们选择了不同含Nb量的具有不同相组成的四种Ti-Al-Nb三元合金,它们的名誉化学成分分别为:Ti-47.5Al-5Nb、Ti-42.85Al-14.3Nb、Ti-40Al-20Nb和Ti-35Al-30Nb（at%）;它们的相组成分别为:γ-TiAl、γ-TiAl+α2-Ti3Al和γ-TiAl+α2-Ti3Al+Nb2Al。对这四种合金进行1273K,100小时的断续氧化实验。研究结果表明,我们所研究的四种Ti-Al-Nb三元合金的高温抗氧化性能都比同样实验条件下的二元Ti-Al合金抗氧化性能好很多,这四种Ti-Al-Nb三元合金在1273K,100小时的断续氧化增重量都小于8mg/cm2,特别是成分为Ti-42.85Al-14.3Nb的双相合金其氧化增重量仅为2.5mg/cm2,而二元Ti-Al合金的氧化增重量达到69mg/cm2。二元Ti-Al合金在1073K,100小时的断续氧化增重量与我们所研究的四种Ti-Al-Nb三元合金在1273K,100小时的断续氧化增重量在一个水平上为1-3mg/cm2;在这四种Ti-Al-Nb三元合金中,相组成为γ-TiAl+α2-Ti3Al的双相合金抗氧化性能最好,分析其原因,一方面是由于两相中固溶了大量的Nb（分别达到13.3at%和19.4at%）,另一方面是由于α2-Ti3Al的存在使得其主要相γ-TiAl的含Al量相对提高,富Al的γ-TiAl相有利于Al2O3的生成及稳定生长。成分为Ti-47.5Al-5Nb的单相γ-TiAl合金由于其含Nb量较少,Nb没有充分起到抑制TiO2的生长及促进Al2O3生成的作用,虽然其比二元Ti-Al合金抗氧化性能要好许多,但仍然没有生成具有保护作用的连续的Al2O3保护膜。同样当含Nb量超过20at%时（如Ti-40Al-20Nb和Ti-35Al-30Nb合金）由于氧化生成的Nb2O5是一个结构疏松且与基体结合力非常差的氧化膜,在氧化过程中极容易从基体上剥落下来,使其抗氧化性能下降。 在上述抗氧化性能的研究基础上,选择相组成为单相γ-TiAl、双相γ-TiAl+α2-Ti3Al和三相γ-TiAl+α2-Ti3Al+Nb2Al,成分分别为Ti-47.5Al-5Nb、Ti-42.85Al-14.3Nb和Ti-40Al-20Nb三种Ti-Al-Nb三元合金,进行从室温至1373K的压缩性能实验及室温和1173K的拉伸性能实验。实验结果表明,Ti-Al-Nb三元单相γ-TiAl合金在低温一侧同二元γ-TiAl合金具有同样的屈服强度450MPa,该强度一致保持到1200K左右,但是在高温一侧的屈服强度要远远高于二元γ-TiAl、Inconel715以及Ti-48Al-2Cr-2Nb等合金,这是因为γ相中固溶了比较多的Nb所造成的。从室温到1373K温度区域内,双相合金和三相合金的屈服强度都比单相合金的高很多,室温屈服强度分别在1150MPa和950MPa,随着温度的上升,屈服强度略呈下降,从1000K开始,屈服强度随着温度的上升下降的幅度加大。在1200K时,双相合金和三相合金的屈服强度仍然保持在600MPa左右,这说明多相组织强化机制对提高Ti-Al合金的高温性能是非常有效的。 拉伸性能的实验结果表明,室温下双相合金的塑性变形能力好于另外两种合金,这主要是因为α2相的存在降低了合金平均晶粒尺寸,并且由γ和α2两相构成的层片组织结构以及大量的γ/α2相界面有利于塑性变形。温度升高可以显著改善双相合金的塑性变形能
论文目录:
第一章 绪论
1．1 Ti-Al合金的研究背景
1．2 γ-TiAl基合金的研究状况
1．2．1 Ti-Al金属间化合物基本组成相的晶体结构特点
1．2．2 γ-TiAl基合金研究优势
1．3 TiAl基金属间化合物目前存在的问题及解决方法
1．3．1 TiAl基合金的高温氧化
1．3．1．1 TiAl基合金抗氧化性能的影响因素
1．3．1．2 提高TiAl基合金高温抗氧化性的途径
1．3．2 TiAl基合金的室温脆性及改善方法
1．3．3 TiAl基合金的拉伸性能
1．3．4 TiAl基合金的断裂韧性
1．3．5 TiAl基合金的蠕变性能与蠕变机制
1．3．6 组织与性能的关系
1．4 高铌TiAl基金属间化合物研究状况
1．4．1 高铌TiAl基金属间化合物相图的研究
1．4．2 Nb在TiAl中的占位和原子有序分布
1．4．3 高铌TiAl基合金性能的研究
1．5 本论文的研究思路与主要内容
第二章 Ti-Al-Nb三元系合金高温抗氧化性能的研究
2．1 引言
2．2 实验过程
2．2．1 实验材料及制备
2．2．2 氧化实验方法
2．3 四种Ti-Al-Nb三元合金组织及组成相分析
2．3．1 合金的显微组织
2．3．2 相组成分析
2．4 氧化实验结果
2．4．1 氧化动力学曲线
2．4．2 二元TiAl合金的氧化分析
2．4．2．1 氧化表面分析
2．4．2．2 氧化剖面分析
2．4．2．3 二元TiAl合金高温氧化机理分析
2．4．3 四种Ti-Al-Nb三元合金的氧化分析
2．4．3．1 氧化表面分析
2．4．3．2 氧化剖面分析
2．5 讨论
2．6 结论
第三章 Ti-Al-Nb三元系中的合金力学性能的研究
3．1 引言
3．2 实验方法
3．3 实验结果
3．3．1 显微组织和相组成
3．3．2 三种不同相组成的Ti-Al-Nb合金的拉伸力学性能
3．3．2．1 应力-应变曲线
3．3．2．2 拉伸断口分析
3．3．3 三种不同组织TiAl基合金的压缩力学性能
3．3．3．1 应力-应变曲线
3．3．3．2 屈服强度与温度之间的关系
3．4 讨论
3．5 结论
第四章 元素W、Cr对Ti-Al-Nb三元合金高温抗氧化性能的影响
4．1 引言
4．2 实验过程
4．2．1 实验材料及制备
4．2．2 氧化实验方法
4．3 实验结果
4．3．1 合金显微组织及相组成
4．3．2 氧化动力学分析
4．3．3 氧化表面分析
4．3．4 氧化剖面分析及讨论
4．4 结论
第五章 相组成及合金元素Cr的含量对Ti-Al-Nb-Cr四元合金高温抗氧化性能的影晌
5．1 引言
5．2 实验方法
5．3 实验结果
5．3．1 合金显微组织及相组成
5．3．2 氧化动力学曲线
5．3．3 氧化表面分析
5．3．4 氧化剖面分析
5．3．4．1 经process2处理的Ti-42．85Al-12．3Nb-2Cr合金氧化层剖面分析
5．3．4．2 经process3处理的Ti-42．85Al-12．3Nb-2Cr合金氧化层剖面分析
5．3．4．3 经process4处理的Ti-42．85Al-10．3Nb-4Cr合金氧化层剖面分析
5．4 讨论
5．5 结论
第六章 结论与未来工作展望
6．1 结论
6．1．1 Ti-Al-Nb三元合金高温抗氧化性能的研究
6．1．2 Ti-Al-Nb三元合金力学性能的研究
6．1．3 复合添加元素W、Cr的Ti-Al-Nb四元合金高温抗氧化性能的研究
6．2 未来工作展望
主要创新点摘要
攻读博士学位期间发表的文章
致谢
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-07-04
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