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多元微合金化定向凝固Ti-Al合金高温变形与断裂行为

作　者: 栾庆冬
导　师: 彭良明
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 材料力学与设计
关键词: 定向凝固微合金化Ti-Al-Nb合金显微组织强韧化蠕变/断裂
分类号: TG146.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文采用定向凝固方法制备了Cr、Mo、Mn、Sc复合微合金化的Ti-Al-Nb合金,系统研究了合金的微结构、室温/高温静态拉伸力学行为与高温蠕变变形/断裂特性。研究表明:(1)高Al含量的Ti-45Al-3Nb和Ti-45Al-3Nb-0.5Sc合金呈全片层状组织,其片层取向与生长方向成45°;Ti-45Al-3Nb-2Cr-1Mn-0.5Sc和Ti-45Al-3Nb-2Mo-2Cr-1Mn-0.5Sc为双态结构,其中前者片层与抽拉方向大体平行,而Mo的加入,促进合金中大量长条状与叶脉状B2相的生成,致使片层无明显取向。Al含量较低时,所制备的两种Ti-Ti3Al-Nb合金均呈网篮状组织,但Ti-16Al-12Nb-3Cr-1Mo中的片层方向较Ti-16-12Nb的更倾向于与抽拉方向平行。(2)复合合金化可显著提高Ti-Al-Nb合金的强度、塑性与断裂韧性。然而,加入β相稳定化元素后所产生的大量B2相,在一定程度上降低了材料的抗高温蠕变能力。(3) Ti-45Al合金在经过1350℃4个小时热处理后,合金强度增强,塑性降低,蠕变抗力增强。(4)合金成分显著影响材料的高温蠕变行为,具体表现为: a. Ti-45Al-3Nb-0.5Sc合金在800℃下的蠕变应力指数为4.5。Ti-45Al-3Nb-2Cr-2Mn-0.5Sc合金在850℃和900℃下的应力指数分别为5.3和6.4。Ti-45Al-3Nb-2Mo-2Cr-2Mn-0.5Sc在850℃和900℃下的应力指数分别为5.4和5.8,然而在800℃下,随着应力的增加应力指数分为两个区域,在低应力区2.5,高应力区5.7。Ti-45Al-3Nb-2Cr-2Mn-0.5Sc合金的真实蠕变激活能是318 kJ/mol ,其值接近于多元TiAl的自扩散激活能,然而Ti-45Al-3Nb-2Mo-2Cr-2Mn-0.5Sc合金的真实蠕变激活能为486 kJ/mol。TEM照片显示在片层中的普通位错控制着组织变形,同时在蠕变过后观察到变形孪晶,割阶和大量的第二相析出颗粒。微量Sc以小片层状Ti3(Al, Sc)化合物的形式存在于γ/α2相边界和γ相中,起到钉扎的作用并且阻碍位错的滑动。蠕变变形是由位错滑移/攀移控制的。b. Ti-Ti3Al-Nb两种合金在600℃和650℃下,随着应力的增加,应力指数出现了两个区域:低应力区应力指数值为3.5-5.3,高应力区为8.3-12.3,这表明蠕变机制也发生了转变。在700℃下没有发现应力指数转变,随着应力的增大(100-350MPa)只出现了一个应力指数区域,值为5.3-6.0。蠕变的真实蠕变激活能为303-324 kJ/mol,非常接近α2-Ti3Al的蠕变激活能(288-312 kJ/mol)。合金的最初组织形态是不稳定的,经过长期的蠕变以后,在高应力和一定的高温度下,发生了动态回复再结晶。蠕变变形的第一区域是位错控制的蠕变机制,而在高应力区第二区域,是由于整体晶粒尺寸减小造成的再结晶控制的蠕变机制。断裂类型和总的伸长应变依赖于材料的成分,测试温度和应力水平。在第三阶段,应变率不断增加,是由于微观组织不稳定或者形核,连接在一起,最终形成孔洞或者断裂。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-24
  1.1 金属间化合物的研究概况  9-10
  1.2 Ti-Al 系金属间化合物的研究进展  10-16
    1.2.1 TiAl 基合金的研究进展  11-12
    1.2.2 Ti3Al 基合金的研究进展  12
    1.2.3 Ti-Al 合金相变与晶体结构  12-14
    1.2.4 Ti-Al 金属间化合物组织及合金优化  14-15
    1.2.5 Ti-Al 系合金的制备工艺  15-16
  1.3 定向凝固技术  16-18
    1.3.1 定向凝固的理论基础  16-17
    1.3.2 定向凝固的工艺方法  17-18
  1.4 TiAl 金属间化合物的蠕变行为  18-21
    1.4.1 蠕变基本原理  18-19
    1.4.2 Ti-Al 系合金的蠕变研究进展  19-21
  1.5 本课题研究的主要内容和意义  21
  参考文献  21-24
第2章微合金化定向凝固Ti-45Al 合金微观组织与静态力学行为  24-49
  2.1 引言  24
  2.2 实验过程  24-28
  2.3 实验结果  28-46
    2.3.1 显微结构及成分分析  28-36
    2.3.2 室温断裂韧性  36-39
    2.3.3 高温准静态拉伸力学性能  39-46
  2.4 本章小结  46-47
  参考文献  47-49
第3章微合金化定向凝固Ti-45Al 合金蠕变变形与断裂行为  49-77
  3.1 引言  49
  3.2 实验过程  49-50
  3.3 定向凝固材料蠕变变形与断裂行为  50-69
    3.3.1 蠕变变形  50-58
    3.3.2 蠕变机理  58-61
    3.3.3 蠕变组织和缺陷  61-67
    3.3.4 蠕变断口形貌及断裂分析  67-69
  3.4 热处理对材料高温力学性能的影响  69-73
    3.4.1 热处理前后组织形态  69-70
    3.4.2 热处理前后高温拉伸力学性能  70-72
    3.4.3 热处理前后蠕变性能  72-73
  3.5 本章小结  73-74
  参考文献  74-77
第4章微合金化定向凝固Ti-Ti3Al-Nb 合金蠕变行为  77-96
  4.1 引言  77-78
  4.2 实验过程  78
  4.3 实验结果  78-90
    4.3.1 蠕变前的微观组织  78-79
    4.3.2 拉伸性能  79-81
    4.3.3 蠕变变形  81-85
    4.3.4 蠕变后组织与缺陷  85-89
    4.3.5 断口形貌和断裂分析  89-90
  4.4 讨论  90-93
    4.4.1 Cr 和Mo 对微观结构和力学性能的影响  90-91
    4.4.2 蠕变机制  91-93
  4.5 本章小结  93
  参考文献  93-96
第5章总结与展望  96-99
  5.1 本文工作总结  96-97
  5.2 工作展望  97-99
致谢  99-100
附录：在读期间发表的学术论文  100

多元微合金化定向凝固Ti-Al合金高温变形与断裂行为

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