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TiAl基合金粉末冶金及组织性能研究

作　者: 张弘飞
导　师: 范洪波
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TiAl预合金粉末 XPS 冷压 SPS烧结力学性能
分类号: TF123.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

γ-TiAl相属于金属间化合物，其原子排列长程有序，并且，Ti与Al原子间既有金属键又有共价键，共价键形成的晶体的强度和硬度较高并且热膨胀系数很低，因此，TiAl基合金的力学性能优异，同时该合金兼具较高的弹性模量以及良好的抗蠕变性能和高温抗氧化性等；另外TiAl基合金的密度为3.7-4.3g/cm3，比Ti基合金更低，甚至低于镍基高温合金的50%。优良的高温性能及密度低的特点使得TiAl基合金被广泛学者认为有望替代镍基高温合金成为航空航天及汽车工业领域的新一代高温结构材料。然而，金属间化合物也有一些性能缺陷制约了其工程应用，如本征脆性造成TiAl基合金成形性较差，高的变形抗力使加工难度更大，偏析、疏松等铸造缺陷较多。本文采用的原材料为TiAl预合金粉末，分别通过两种途径：放电等离子烧结(SPS)和冷静液机械压制成型装置冷压制备得到了两种组织细小、力学性能优异的TiAl基合金样品。采用激光散射粒度仪及振筛机获得了粉末的粒径分布状态，粉末的平均粒径为105.80μm；分析粒径为38-75μm、75-106μm、106-150μm的三种预合金粉末的XRD、SEM、TEM实验结果得知粉末组织多为近2相，只有粒径较大的预合金粉末内存在少量的γ相。采用XPS分析方法检测到粒径为38-75、75-106、106-150μm的三种粉末表面不同程度的被氧化，形成Al2O3、AlxO、TiO、 TiO2、Y2O3、YOx氧化物，粉末的氧化程度与其粒径大小之间呈反比关系。结合Ti-Al二元相图对粉末进行时效处理揭示了粉末组织转变与时效温度的关系，在te温度附近时效2h得到近γ相组织，在(γ+)两相区中间温度时效2h后得到双态组织。通过纳米硬度实验了解粉末的硬度随粒径的变化关系，即粒径在75-106μm之间的粉末纳米硬度高于粒径为38-75、106-150μm的粉末硬度，另外时效后粉末纳米硬度降低。使用冷静液机械压制成型装置冷压制得冷压态TiAl基合金生坯并在1260℃下时效2h得到1组样品，密度达到了SPS烧结样品的95%，SEM试验表明材料组织不均匀，组织内分布着近γ相区域、双态区域及全片层区域，一些粉末颗粒周围分布一层2相，削弱了粉体之间的结合强度，降低了材料的力学性能。在1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃温度下SPS烧结制备了5组样品，通过XRD、SEM实验表明在1050℃、1100℃下SPS烧结得到近γ相的TiAl基合金，在1150℃、1200℃、1250℃温度下SPS烧结分别得到双态、近片层及全片层组织。显微硬度实验表明1050℃、1100℃SPS获得的近γ相TiAl基合金硬度最高，分别为：480.1和468.9HV，双态和近片层及全片层组织的TiAl基合金硬度在410~420HV之间。摩擦磨损实验表明1150℃SPS烧结的双态TiAl基合金耐磨性最佳，1050℃SPS的近γ相TiAl基合金耐磨性其次。压缩和拉伸(实验温度：室温，400℃，600℃，700℃，800℃，900℃)实验表明近γ相TiAl基合金力学性能和塑性最差，具有双态、近片层及全片层组织的TiAl基合金的强度和塑性相差不大，并且比近γ组织优异许多。以上五组SPS烧结态TiAl基合金在900℃拉伸试验中抗拉强度没有降低反而升高，断裂前产生约6%的塑性变形。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 TiAl 基合金的特性  13-17
    1.2.1 TiAl 基合金的相图及晶体结构  13-14
    1.2.2 TiAl 基合金的组织  14-15
    1.2.3 TiAl 基合金的性能  15-17
  1.3 提高 TiAl 基合金性能的方法  17-19
    1.3.1 热处理  17-18
    1.3.2 热加工  18-19
    1.3.3 合金元素  19
  1.4 TiAl 基合金的制备技术  19-23
    1.4.1 铸造工艺  20
    1.4.2 铸锭冶金  20-21
    1.4.3 粉末冶金  21-23
  1.5 课题的研究目的及意义  23-24
第2章实验方法及设备  24-31
  2.1 TiAl 预合金粉末的表征  24-27
    2.1.1 TiAl 预合金粉末的密度测量方法  24
    2.1.2 TiAl 预合金粉末的粒度分析方法  24-25
    2.1.3 TiAl 预合金粉末的显微组织分析  25-26
    2.1.4 TiAl 预合金粉末的退火实验方法  26
    2.1.5 TiAl 预合金粉末的纳米压痕实验  26-27
  2.2 粉末冷静液机械压制成型装置制备 TiAl 基合金的设备及方法  27-28
  2.3 SPS 烧结制备 TiAl 基合金的设备及方法  28
  2.4 TiAl 基合金 XRD、SEM 实验试样的制备方法  28-29
  2.5 TiAl 基合金力学性能分析方法  29-31
    2.5.1 TiAl 基合金的硬度测试  29
    2.5.2 TiAl 基合金的摩擦磨损实验  29
    2.5.3 TiAl 基合金的高温压缩、拉伸实验  29-31
第3章 TiAl预合金粉末的组织及性能分析  31-50
  3.1 引言  31
  3.2 TiAl 预合金粉末的粒度、形貌及组织分析  31-37
    3.2.1 TiAl 预合金粉末的粒度分析  31-33
    3.2.2 TiAl 预合金粉末的 SEM 及 XRD 表征  33-36
    3.2.3 TiAl 预合金粉末的 TEM 分析  36-37
  3.3 TiAl 预合金粉末的 XPS 分析  37-43
    3.3.1 TiAl 预合金度粉末的 XPS 图谱分析  37-42
    3.3.2 TiAl 预合金粉末粒径对表面抗氧化性的影响  42-43
  3.4 预合金粉末的退火实验  43-49
    3.4.1 时效处理后的 TiAl 预合金粉末的 XRD 分析  43-44
    3.4.2 时效处理后 TiAl 预合金粉末的 SEM 分析  44-46
    3.4.3 时效处理后 TiAl 预合金粉末的纳米压痕实验分析  46-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章冷压及 SPS 烧结制备 TiAl基合金及组织性能研究  50-87
  4.1 引言  50-51
  4.2 TiAl 基合金的冷压工艺制备及组织性能研究  51-54
    4.2.1 冷压法制备 TiAl 基合金的工艺研究  51-52
    4.2.2 冷压态 TiAl 基合金的 SEM 分析  52-54
    4.2.3 冷压态 TiAl 基合金的力学性能测试  54
  4.3 TiAl 基合金的 SPS 烧结工艺参数  54-56
  4.4 烧结态 TiAl 基合金的组织及结构  56-62
    4.4.1 烧结态 TiAl 基合金的 XRD 衍射分析  56-57
    4.4.2 烧结态 TiAl 基合金的 SEM 分析  57-62
  4.5 烧结态 TiAl 基合金的力学性能分析  62-86
    4.5.1 SPS 烧结态 TiAl 基合金的硬度分析  62-63
    4.5.2 SPS 烧结态 TiAl 基合金的摩擦磨损性能分析  63-68
    4.5.3 SPS 烧结态 TiAl 基合金的高温压缩性能分析  68-76
    4.5.4 TiAl 基合金经 900℃压缩试验后的组织演变及硬度变化  76-81
    4.5.5 SPS 烧结态 TiAl 基合金的高温拉伸性能分析  81-86
  4.6 本章小结  86-87
结论  87-88
参考文献  88-94
致谢  94

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