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低密度Ti_2AlNb基合金板材制备及组织与力学性能研究

作 者: 李渤渤
导 师: 沈军
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 材料加工工程
关键词: Ti2AlNb基合金 等温锻造 轧制 热处理 超塑性
分类号: TG146.23
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


以正交有序结构O相为主要组成相的Ti2AlNb基金属间化合物因具有优良的室温塑性、较高的高温比强度和抗蠕变性能,以及中等的抗氧化性,有望部分取代高密度镍基超合金,在航空航天等领域获得广泛应用。但其含Nb量高,相对于TiAl及Ti3Al密度大,而且铸态组织粗大,加工性能差,严重限制了其实际工程应用。本文通过添加β相强稳定元素Mo、V,代替部分重质元素Nb,采用水冷铜坩埚真空感应熔炼炉(ISM)制备出密度仅为5.01g/cm3,同时具有较高比强度的Ti2AlNb基合金。随后,采用多步等温锻造、包覆热轧及中间退火特殊热机械加工工艺细化金属间化合物粗大晶粒,以提高合金室温塑性及强度,并分析了材料在热加工过程中组织演变规律及性能变化原因。合金铸态组织平均晶粒尺寸约500μm,主要由O、B2和α2相组成,O相呈粗片状分布于B2相基体之上,α2相分布于原始B2相晶界处,其室温和650℃抗拉强度分别为966MPa、848MPa,但塑性较差。经多步等温锻造后,原始粗大组织得到显著细化,沿B2相原始晶界分布的α2相碎化,变为圆整的短棒状或粒状分布于由细小的O相和B2相组成的基体中,其室温和650℃抗拉强度分别为1524MPa和766MPa,尤其是700℃延伸率达到19%,表明锻态合金高温塑性变形能力优异,从而为板材轧制提供了合适的组织。采用包覆热轧工艺,合金平均晶粒尺寸细化至1.5μm,并制备出尺寸为464×180×1.3mm3的Ti2AlNb基合金板材,其室温下σ0.2、σb和δ分别为1062MPa、1213MPa和5.51%,600℃合金σ0.2、σb和δ分别为767MPa、883MPa和12%,综合力学性能优良。热轧态Ti2AlNb基合金板材在800-1000℃、6.25×10-3s-1-2×10-4s-1变形条件范围内超塑性变形能力优异,并在950℃、4×10-4s-1拉伸条件下获得实验范围内最大延伸率668%。热轧态Ti2AlNb基合金板材超塑性变形机制主要是晶界滑移(GBS)。变形初期,原始组织中位错运动及再结晶是晶界滑移的主要协调机制;随后,原始组织中位错消耗完毕,合金由尺寸稳定的两相等轴晶组织构成,此时,位错运动及扩散蠕变是晶界滑移的主要协调机制。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-24
  1.1 选题意义  10-11
  1.2 Ti_2AlNb 基合金的发展现状  11-13
  1.3 Ti_2AlNb 基合金的基本性质  13-17
    1.3.1 Ti_2AlNb 基合金相结构  13-14
    1.3.2 Ti_2AlNb 基合金相图  14-15
    1.3.3 Ti_2AlNb 基合金力学性能  15-16
    1.3.4 Ti_2AlNb 基合金焊接性能  16-17
  1.4 Ti_2AlNb 基合金超塑性  17-18
  1.5 Ti_2AlNb 合金成分设计及组织优化  18-21
    1.5.1 Ti_2AlNb 合金成分设计  18-19
    1.5.2 Ti_2AlNb 合金组织优化  19-21
  1.6 Ti_2AlNb 基合金锻造与轧制技术  21-22
  1.7 研究内容及实验方案  22-24
    1.7.1 研究内容  22
    1.7.3 实验方案  22-24
第2章 分析测试方法  24-29
  2.1 成分分析  24
  2.2 热分析  24
  2.3 密度测量  24-25
  2.4 热处理  25
  2.5 显微组织及相分析  25-27
  2.6 力学性能测试  27-28
    2.6.1 维氏硬度测试  27
    2.6.2 拉伸性能测试  27-28
  2.7 电子束焊接  28-29
第3章 Ti_2AlNb 基合金板材制备  29-39
  3.1 铸锭制备  29-34
    3.1.1 合金成分的选择  29
    3.1.2 原材料  29-30
    3.1.3 铸锭制备工艺选择及熔炼工艺探索  30-33
    3.1.4 实验用合金铸锭制备  33-34
  3.2 热等静压(HIP)  34-35
  3.3 多向等温锻造  35-37
  3.4 包覆轧制  37-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章 热加工过程中合金组织演变及力学性能研究  39-70
  4.1 Ti_2AlNb 基合金的相变温度  39-41
    4.1.1 差示扫描量热法  39-40
    4.1.2 金相法  40-41
  4.2 热加工过程中材料力学性能及组织演变  41-59
    4.2.1 铸态合金组织与力学性能  42-46
    4.2.2 热等静压态合金组织  46-48
    4.2.3 锻态合金组织及力学性能  48-52
    4.2.4 热轧态合金组织及力学性能  52-59
  4.3 热处理对热轧态板材组织及力学性能的影响  59-66
    4.3.1 固溶处理对热轧态板材组织的影响  59-60
    4.3.2 时效处理对固溶态合金组织的影响  60-62
    4.3.3 热处理对板材硬度的影响  62-64
    4.3.4 固溶时效处理对热轧态板材高温拉伸性能的影响  64-66
  4.4 Ti_2AlNb 基合金电子束焊接  66-69
    4.4.2 接头显微组织  66-67
    4.4.3 焊接接头显微硬度  67-68
    4.4.4 室温拉伸性能  68-69
  4.5 本章小结  69-70
第5章 Ti_2AlNb 基合金超塑性研究  70-83
  5.1 引言  70
  5.2 变形试样的真应力-真应变曲线  70-73
  5.3 变形条件对合金超塑性及组织的影响  73-79
    5.3.1 变形温度对超塑变形能力及组织演变的影响  74-76
    5.3.2 应变速率对超塑变形能力及组织演变的影响  76-79
  5.4 m 值计算及超塑性变形机制讨论  79-81
  5.5 本章小结  81-83
结论  83-84
参考文献  84-89
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  89-91
致谢  91

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