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Ti-Al-Nb三元系中的合金组织对性能的影响

丁晓非  
【摘要】:本文参考了大量Ti-Al-Nb系各个温度下的三元相图,以及合金元素对二元Ti-Al相图的影响等文献,在Ti、Al等原子比的基础上,调整Nb的量设计并制备了一系列Ti-Al-Nb三元合金。合金设计的目的是为了获得不同相组成的合金。采用示差热分析方法、X射线衍射分析、电子探针背散射电子成分像及微区成分分析、透射电镜明场像及选区电子衍射以及光学显微组织分析等多种手段确定了在不同温度下实验材料的显微组织形貌及相组成。所有实验样品在实验前都经过1473K,5小时的均匀化处理。 首先,我们选择了不同含Nb量的具有不同相组成的四种Ti-Al-Nb三元合金,它们的名誉化学成分分别为:Ti-47.5Al-5Nb、Ti-42.85Al-14.3Nb、Ti-40Al-20Nb和Ti-35Al-30Nb(at%);它们的相组成分别为:γ-TiAl、γ-TiAl+α_2-Ti_3Al和γ-TiAl+α_2-Ti_3Al+Nb_2Al。对这四种合金进行1273K,100小时的断续氧化实验。研究结果表明,我们所研究的四种Ti-Al-Nb三元合金的高温抗氧化性能都比同样实验条件下的二元Ti-Al合金抗氧化性能好很多,这四种Ti-Al-Nb三元合金在1273K,100小时的断续氧化增重量都小于8mg/cm~2,特别是成分为Ti-42.85Al-14.3Nb的双相合金其氧化增重量仅为2.5mg/cm~2,而二元Ti-Al合金的氧化增重量达到69mg/cm~2。二元Ti-Al合金在1073K,100小时的断续氧化增重量与我们所研究的四种Ti-Al-Nb三元合金在1273K,100小时的断续氧化增重量在一个水平上为1-3mg/cm~2;在这四种Ti-Al-Nb三元合金中,相组成为γ-TiAl+α_2-Ti_3Al的双相合金抗氧化性能最好,分析其原因,一方面是由于两相中固溶了大量的Nb(分别达到13.3at%和19.4at%),另一方面是由于α_2-Ti_3Al的存在使得其主要相γ-TiAl的含Al量相对提高,富Al的γ-TiAl相有利于Al_2O_3的生成及稳定生长。成分为Ti-47.5Al-5Nb的单相γ-TiAl合金由于其含Nb量较少,Nb没有充分起到抑制TiO_2的生长及促进Al_2O_3生成的作用,虽然其比二元Ti-Al合金抗氧化性能要好许多,但仍然没有生成具有保护作用的连续的Al_2O_3保护膜。同样当含Nb量超过20at%时(如Ti-40Al-20Nb和Ti-35Al-30Nb合金)由于氧化生成的Nb_2O_5是一个结构疏松且与基体结合力非常差的氧化膜,在氧化过程中极容易从基体上剥落下来,使其抗氧化性能下降。 在上述抗氧化性能的研究基础上,选择相组成为单相γ-TiAl、双相γ-TiAl+α_2-Ti_3Al和三相γ-TiAl+α_2-Ti_3Al+Nb_2Al,成分分别为Ti-47.5Al-5Nb、Ti-42.85Al-14.3Nb和Ti-40Al-20Nb三种Ti-Al-Nb三元合金,进行从室温至1373K的压缩性能实验及室温和1173K的拉伸性能实验。实验结果表明,Ti-Al-Nb三元单相γ-TiAl合金在低温一侧同二元γ-TiAl合金具有同样的屈服强度450MPa,该强度一致保持到1200K左右,但是在高温一侧的屈服强度要远远高于二元γ-TiAl、Inconel715以及Ti-48Al-2Cr-2Nb等合金,这是因为γ相中固溶了比较多的Nb所造成的。从室温到1373K温度区域内,双相合金和三相合金的屈服强度都比单相合金的高很多,室温屈服强度分别在1150MPa和950MPa,随着温度的上升,屈服强度略呈下降,从1000K开始,屈服强度随着温度的上升下降的幅度加大。在1200K时,双相合金和三相合金的屈服强度仍然保持在600MPa左右,这说明多相组织强化机制对提高Ti-Al合金的高温性能是非常有效的。 拉伸性能的实验结果表明,室温下双相合金的塑性变形能力好于另外两种合金,这主要是因为α_2相的存在降低了合金平均晶粒尺寸,并且由γ和α_2两相构成的层片组织结构以及大量的γ/α_2相界面有利于塑性变形。温度升高可以显著改善双相合金的塑性变形能


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