超细晶/纳米晶钛铝合金的合成及性能研究

论文摘要

先进的设计理念往往以使用温度更高、质量更轻以及运行速度更快为基础,而以金属间化合物TiAl为基础的钛铝金属间化合物最有可能满足上述的设计要求,被认为是最有应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料,有望在航空、汽车工业等零部件的生产中得到广泛应用。而γ-TiAl金属间化合物的室温脆性及高温抗氧化性不足的问题,限制了其使用和发展。本试验的目的是采用粉末机械合金化及烧结方法,合成和制备超细晶/纳米晶γ-TiAl组织,并研究其组织性能。试验通过单元素粉末混合法,选用TiH2、Al、Nb粉末,配制TiH2-47Al-（5-12）Nb成分合金,经球磨后形成含有非晶、Ti2A1亚稳相等纳米级颗粒粉,用DSC和放电等离子烧结方法,对经不同工艺球磨后的粉末进行真空烧结和保护气氛烧结获得超细晶/纳米晶γ-TiAl基双相TiAl基金属间化合物。借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪、透射电子显微镜、差热分析仪等观察分析粉体机械合金化及烧结合成中的相变等变化过程,利用DSC控制氧化气氛,研究TiAl超细晶组织的高温抗氧化性。试验结果表明：高能球磨预合成部分非晶、纳米尺度的TiAl间亚稳相更有利于烧结形成超细晶/纳米晶TiAl金属间化合物块体。由于在球磨粉末中保留有部分细小的Al元素,而Al的熔点较低,因而烧结时首先发生液化,Al扩散及相变形成的晶粒边界连接强度高。经1200℃、10分钟条件下烧结后,产生了超细晶/纳米晶球状TiAl和Ti3Al。DSC烧结及放电等离子烧结都获得了含有纳米晶的超细晶组织,这种细晶组织具有很高的抗高温氧化性。合金在空气中的氧化速率远远小于在氧气中的氧化速率,Nb量的增加有利于抗氧化性的提高。采用DSC循环氧化证实合金在升温、高温保温及降温阶段都发生了氧化反应,但降温阶段氧化更明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钛铝合金材料研发的长远意义
• 1.2 钛合金材料在国内外的发展历史
• 1.2.1 钛合金在欧美发达国家的应用
• 1.2.2 钛合金在亚洲发达国家的应用
• 1.3 钛合金的未来发展趋势和前景
• 1.4 钛合金的组织结构及性能
• 1.5 钛铝元素粉末化学反应及合成原理
• 1.5.1 粉末冶金方法和制备工艺
• 1.6 粉末的机械合金化
• 1.7 金属材料的烧结工艺
• 1.7.1 放电等离子烧结（SPS）及发展历史
• 1.7.2 SPS技术的特点
• 1.7.3 SPS技术的应用
• 1.7.4 SPS相关设备
• 1.7.5 SPS烧结机制
• 1.8 TIAL基合金的高温抗氧化性
• 1.8.1 提高抗氧化性的方法
• 1.8.2 影响TiAl基合金抗氧化性能的因素
• 1.9 本试验研究的主要内容
• 第二章 试验工艺和分析方法
• 2.1 试验工艺
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 合金元素的选择
• 2.2.2 试验材料的配比和高能球磨工艺
• 2.2.3 烧结设备
• 2.3 试样的分析手段和处理方法
• 2.3.1 透射电子显微镜观察分析
• 2.3.2 X-射线观察分析
• 2.3.3 扫描电子显微镜观察分析
• 2.3.4 试样微组织结构的处理和观察
• 2.3.5 高温氧化处理和观察分析
• 第三章 机械合金化过程及分析
• 3.1 引言
• 3.2 粉末球磨过程中的颗粒形态
• 3.3 粉末球磨过程中的相变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 球磨粉末的烧结及超细晶/纳米晶组织合成
• 4.1 球磨粉末的烧结组织特征
• 4.2 烧结组织的透射电子显微结构特征
• 4.3 球磨粉末反应烧结机理
• 4.3.1 粉末烧结组织的热力学分析
• 4.3.2 烧结过程分析
• 4.3.3 DSC曲线分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 超细晶/纳米晶的高温抗氧化性研究
• 5.1 静止空气氧化实验
• 5.2 纯氧气氛氧化实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间研究成果