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《中南大学》 2002年
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Laves相TiCr_2微粒增强Ti基合金的制备及其组织、性能和力学行为的研究

肖平安  
【摘要】:本文通过非自耗磁控电弧熔铸和700℃×20h高温退火,制备出了Cr含量为18~30%的含Laves相γ-TiCr_2过共析Ti-Cr合金。研究发现,铸态过共析Ti-Cr合金的组织为单相β-Ti:这种铸态合金在700℃保温退火时,金属间化合物γ-TiCr2沿晶界析出,并形成连续分布,在随后的空冷过程中,合金内部会发生β-Ti→α-Ti+γ-TiCr_2共析分解,共析组织在合金基体中呈放射状分散析出。合金含Cr量越高,析出的γ-TiCr_2数量越多、尺寸越粗大,合金的硬度也越高。 评价了含Laves相γ-TiCr_2 Ti-Cr合金在650~780℃温度范围内的抗氧化性能,并研究了微量Y对其高温抗氧化性能的影响。研究发现,含Cr量对含Laves相γ-TiCr_2过共析Ti-Cr合金的高温抗氧化性能有显著影响。当Cr<26%时,合金的高温抗氧化性能明显比纯Ti差,而含Cr>26%时,在合金表面氧化膜的内氧化层中,能够生成较高体积分数的Cr_2TiO_5和Cr_2O_5Cr复合型氧化物,有效地提高了氧化膜阻碍O原子向合金内部扩散的能力,使得高温抗氧化能力显著提高,合金单位面积氧化增重仅为同样条件下纯Ti的1/2~1/3。在上述研究结果的基础上,作者提出了一种含Laves相γ-TiCr_2过共析Ti-Cr合金的氧化过程模型。 研究发现,在Cr<26%的含Laves相γ-TiCr_2过共析Ti-Cr合金中加入微量Y,有效地细化了氧化物的晶粒度、改善了氧化膜的致密性及其与基体金属的附着力,并促使在内氧化层中生成Cr_2TiO_5和Cr_(0.284)Ti_(0.714)O_(1.857)复合型氧化物,提高了氧化膜对O原子扩散的阻碍能力,从而能够有效地提高合金的高温抗氧化性能。合金含Cr量越低、氧化温度越低时,微量Y的效果越明显,并且其作用与加入量成正比;但是,当Cr≥21%后,则只存在一最佳Y加入量。对于Cr≥26%的含Laves相γ-TiCr_2 Ti-Cr合金,加入微量Y不能起到改善高温抗氧化性能的作用。 抗氧化性能和微量Y的作用研究结果均表明,含Laves相γ-TiCr_2过共析Ti-Cr合金对氧化温度十分敏感,在650~780℃的温度范围内,氧化温度每提高50~60℃,合金的单位面积氧化增重成倍增加。 为了制备出过饱和固溶纳米(或纳米晶)Ti-Cr复合粉末,本文研究了过共析Ti-Cr合金的机械合金化(Mechanical Alloying)规律。研究发现,在球磨初期的2h内,会发生Ti的(011)主衍射峰强度迅速降低、(010)第二衍射峰强度提高并成为了最强峰和Cr的衍射峰强度提高的现象;当球磨时间达到30~40h时,Ti开始非晶化:在球磨速度为200r/min、球料比取15:1和使用20mm球径的淬火钢球的条件下,当球磨 时间达到80h时,可制得粒度在10Onm以下的均匀纳米粉末,但是,即使MA的时 间超过100h,也没有发现Laves相TICr:在固相直接合成。对粉末晶粒度、晶格微 应变和合金化程度的分析计算发现,MA的前10h是粉末晶粒细化、晶格应变和合 金化进行得最迅速的时期,经过该阶段的球磨后,Cr的晶粒度可以达到20nm:进 一步延长球磨时间,对获得过饱和固溶的合金粉末是十分必要的。30一4Oh是通过 MA制备纳米晶或者非晶过饱固溶Ti一Cr合金粉末的合理球磨时间。 在球磨速度和过程控制剂对过共析Ti一Cr合金MA的影响研究中发现,球磨速 度、过程控制剂及其加入量对MA的效率、粉末的粒度和团聚程度、因为磨损带入 杂质Fe的量和来源有显著影响。在其它条件相同的情况下,球磨速度越高,MA的 效率越高,粉末的粒度也越小;不使用过程控制剂时,MA的效率最高,得到的粉 末粒度最小,但是,团聚现象最为严重;使用酒精作为过程控制剂,能够有效地减 少球磨带入的杂质量,但是硬脂酸不适合用做过共析Ti一C:合金MA的过程控制剂; 试验确定的合理球磨速度范围为150一20Or/min。 本文以MA过饱和固溶纳米晶Ti一Cr复合粉末为原料,进行了原位TICr:颗粒增 强Ti基合金热压合成工艺和高温退火工艺的优化研究。试验结果表明,在860一1300 ℃的温度范围内,通过热压均能够制备出原位TICrZ颗粒增强的近全致密Ti基合金。 但是,热压温度越高,合金的晶粒尺寸越粗大、增C也越严重;按照优化得到的热 压工艺:860’C又45min,能够制备出增强相粒度和基体晶粒度均小于200nm的TICrZ 微粒增强微晶Ti基合金,增强相TICr:在基体中分布均匀。 高温退火研究发现,TICr:微粒增强微晶Ti基合金具有良好的组织热稳定性。 高温退火有利于合金中物相的充分析出,并使合金的成分和组织均匀化,此时,原 料粉末中的杂质Fe偏聚在6一TICr:中,形成Ti、C:和Fe平均原子比为l:1 .2:0.45 的合金化金属间化合物。优化得到的高温退火工艺为:700℃x(10一12)h。 力学性能测量结果表明,TICr:微粒增强微晶Ti基合金的室温强度性能超过 IMI834,抗拉强度可达1210.3MPa,抗压强度可达2287.2 MPa;抗压断裂延性应变可达 21.7%,比熔铸+高温退火工艺制备的含Laves相Y一TICr:Ti一Cr合金提高一倍,比纯金 属间化合物TICr:提高一个数量级;其600一700℃的高温压缩力学性能明显优于采用 反应热压法RHP(Reaetive Hot Pressing)制备的原位(石B+TIC)增强钦基复合材料。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TG156

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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