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Sn微合金化高Nb-TiAl合金性能及注射成形工艺研究

刘程程  
【摘要】:TiAl基合金具有低密度、高强度、良好的的抗高温氧化和抗蠕变性能,是一种极具潜力的轻质高温结构材料,但是室温塑性低,加工成本高阻碍其广泛应用。粉末冶金工艺作为一种近终成形技术,可制备低成本,复杂形状的TiAl基合金,但合金粉末的烧结活性低、致密化困难。因此本文以高Nb-TiAl预合金粉末为原料,添加微量Sn元素粉末为活化烧结助剂,通过实验与理论计算相结合研究微合金化Sn元素对高Nb-TiAl合金综合性能的影响及烧结致密化机理,对微合金化后的TiAl合金的室温力学性能、高温变形行为以及高温氧化行为进行系统研究。并采用注射成形工艺制备Sn微合金化高Nb-TiAl合金零件。主要研究结论如下:采用粉末冶金无压烧结工艺,以Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(简称TiAl-OSn)预合金粉末为原料,添加不同含量(0~5at.%)Sn元素粉末,在1430~1540℃烧结制备致密TiAl-xSn(x=0~5at.%)合金材料。研究表明:添加微量Sn元素有助于降低合金的烧结致密化温度,提高烧结坯的致密度,从而有利于降低合金组织晶粒度、改善合金综合性能。其中1510℃/2h所制备的TiAl-lSn合金,其致密度达到98%,组织为α2/γ相构成的均匀细小的全片层结构,片层团尺寸为60~80μm,。Sn添加抑制晶界β相偏析,但添加量超过1at.%后片层问距变大,添加量达到5at.%后会在晶界析出富Sn相。随着Sn添加量的增加,合金的洛氏硬度值增大。微量Sn元素(1at.%)的添加可以显著改善合金的室温压缩性能,经1510℃烧结制备TiAl-lSn合金的力学性能最优,洛氏硬度值为72.2HRA,抗压强度为2938MPa,屈服强度为680MPa,压缩率为29%。Sn主要固溶于α2相中,少量固溶于γ相,使合金中γ相含量增加,α2相体积分数下降。TiAl-xSn(x=0,0.5,1,1.5)合金进行高温压缩变形时,合金的屈服强度随变形温度的升高、应变速率的降低而降低,塑性不断增加。Sn元素的添加可以使得相同变形温度下合金流变应力提高,这主要是由于Sn元素的固溶强化作用。Sn元素的添加可以降低高Nb-TiAl合金脆韧转变温度,TiAl-OSn合金韧脆转变温度为900℃,而TiAl-lSn合金700℃时已出现明显的流变软化行为;800℃下,未添加Sn时,合金内仅存在形变孪晶,造成晶体切变量有限,变形量小;添加Sn后合金中变形机制为大量位错在晶内滑移,孪晶切变作为补充,使变形量得到提高。合金在高温塑性变形时,峰值流变应力、应变速率和变形温度之间较好地满足双曲正弦形式的Arrhenius关系,说明其变形受热激活控制。在700~1000℃/0.2~0.002s-1条件下,TiAl-OSn与TiAl-lSn合金高温变形激活能分别为:311kJ/mol、429kJ/mol。添加Sn提升了高Nb-TiAl合金高温抗氧化性能,在900℃氧化100h的增重小于TiAl-OSn合金,添加量0.5~1at.%时抗氧化性能较优。Sn添加可减小合金氧化膜厚度,改变氧化膜结构,抑制氧化层裂纹产生。经过900℃高温氧化100h后,TiAl-xSn(x=0.5,1,1.5)合金的氧化膜均较薄且致密,从表面到基体依次为:表层分布Ti02颗粒的A1203层/Ti02层/富Nb、Sn层(少量TiN)/Ti3Al层/基体。TiAl-OSn合金氧化膜较厚,出现裂纹,从表面到基体依次为:TiO2层/Al2O3层/TiO2+Al2O3层/富Nb层/基体。添加Sn合金中Sn与Nb共同作用,富集在氧化膜与基体的过渡层,形成了一层富Nb、Sn的阻隔层;同时Sn添加稳定了合金中TiN,阻碍Ti从基体向外扩散,从而减小了氧化膜厚度及TiO2颗粒尺寸,改善合金抗氧化性能。采用Materials Studio软件CASTEP模块对Sn掺杂γ-TiAl合金体系的晶格参量、原子平均形成能、弹性模量、态密度和重叠布居数等性能进行了计算。计算结果可以发现,Sn掺杂体系的稳定性均略低于纯γ-TiAl体系,形成能计算结果表明Sn原子更倾向于替代A1原子位置。轴比和弹性模量的计算结果均表明Sn在1/54原子浓度掺杂时,会对γ-TiAl合金的延性有所改善,与实验结果相一致。分析其重叠布居数可以发现,掺杂Sn元素可以降低γ-TiAl合金内共价键的各向异性程度,从而使延性得到改善。设计了一种适合TiAl合金注射成形的催化脱脂型粘结剂,配方为85wt.%POM,5wt.%HDPE,2wt.%EVA,3wt.%CW,5wt.%SA,粉末装载量达到65vol%。在180℃,剪切速率1412s-1时喂料流动行为指数n值为0.521,粘流活化能E为28.18kJ/mol。研究了催化脱脂工艺,合适的脱脂参数为115℃脱脂6h,进酸量1.3g/min。脱脂后杂质含量增加较少,主要原因是脱脂温度较低,脱脂时间短。探讨了烧结工艺对合金致密度、显微组织及性能的影响。升高烧结温度与延长保温时间均会提高合金致密度,过高的烧结温度与过长的保温时间造成晶粒粗大,对力学性能不利。TiAl-lSn合金在1510℃烧结2h,抗拉强度为402MPa,低于铸态合金,延伸率0.44%,与铸态合金相当。合金抗压强度及压缩率分别为2930MPa,34.3%,均优于铸态合金。


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