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快速凝固TiAl基合金的组织演变研究

柴丽华  
【摘要】: 采用熔体旋转法(melt-spinning)制备了快速凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb-xY (x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)、Ti-46Al-2Cr-xNb-0.3Y(x=2.0,4.0,6.0)(at.%)合金薄带,研究了Y和Nb含量、冷却速度对快速凝固TiAl基合金的显微组织及力学性能的影响,研究了快速凝固TiAl基合金在退火过程中的组织演变规律,以及快速凝固TiAl基合金薄带粉碎/烧结后的显微组织及力学性能的变化规律,得到以下主要研究结果。 对快速凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb-xY合金的研究表明:Y的添加对快速凝固TiAl基合金的相组成及显微组织产生了显著的影响。随着Y的添加快速凝固TiAl基合金的晶粒显著细化,Y含量从0增加到2.0at.%时合金的平均晶粒尺寸从6μm降低到1μm以下。Y的添加使合金中α2相的含量减少,γ相的含量增加,γ/α2比例增加。Y的添加量高于1.5at.%时使得快速凝固TiAl基合金的初始凝固相由α相转变为β相。快速凝固TiAl基合金的显微组织与Y含量有密切的关系。Y的添加量小于1.0at.%时,合金主要由等轴的α2相和晶界处的层片状或块状γ相组成;Y含量高于1.5at.%的两种合金组织由等轴β/B2相和晶界处的等轴或者层片状的α2相以及γ相组成。快速凝固提高了Y在TiAl基合金中的固溶度,但是仍然小于0.5at.%。不能固溶的Y形成Al2Y相,以均匀弥散的球形颗粒形式存在,颗粒尺寸约为40-100nm。快速凝固TiAl基合金的硬度与合金中的α2相的含量有直接的对应关系,随着Y含量的增加合金中的α2相的含量降低,硬度下降。 Nb含量对快速凝固Ti-46Al-2Cr-xNb-0.3Y合金的相结构及显微组织形貌影响不大。对几种不同Nb含量的快速凝固Ti-46Al-2Cr-xNb-0.3Y合金薄带自由表面的形貌观察表明初始凝固相由普通凝固条件下的β相转为α相。几种不同Nb含量的快速凝固TiAl基合金由γ相和α2相组成,随着Nb含量的增加α2相的含量先降低后增多。几种合金的显微组织为等轴晶+层片状组织,层片结构的数量随着Nb的添加而增加,但是层片厚度不随Nb含量的改变而变化。Nb的添加促进了快速凝固TiAl基合金中堆垛层错和位错等缺陷的形成。 采用近牛顿冷却方式估算了快速凝固TiAl基合金的冷却速度,为105-106K/s。以Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y合金为例研究了冷却速度对快速凝固TiAl基合金显微组织的影响。几种不同冷却速度下快速凝固Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y合金的显微组织都由等轴晶和层片状相组成,层片团的尺寸随着冷却速度的提高而减小。Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y合金在低冷却速度下由γ相和β/B2相组成,在高冷却速度下由γ相和α2相构成。随着冷却速度的提高,合金中的β/B2相逐渐减少,而α2相含量增高。冷却速度越高,快速凝固Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y合金的硬度越高,弯曲塑性降低。弯曲塑性随着γ相晶格畸变的增大而降低,通过计算γ相的晶格畸变可以预测γ-TiAl合金的塑性。 对快速凝固Ti-46Al-2Cr-xNb-0.3Y合金薄带在不同温度下的退火处理研究发现: Nb含量对快速凝固TiAl基合金在退火过程中的相转变规律没有明显影响。在退火温度为600-800℃的范围内,亚稳的α2相逐渐分解转变为γ相。快速凝固Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y合金的退火温度高于840℃时从γ相基体上析出α相片层,在920℃退火时发生了γ相的有序化相变,在970℃退火时层片组织发生了连续粗化,退火温度升高到1050℃时,层片发生分解,晶粒逐渐球化。在退火过程中由快速凝固造成的位错等规则排列形成亚晶界,从而细化了晶粒。随着退火温度的提高,快速凝固TiAl基合金中γ相的晶格畸变增大,合金的硬度显著降低。 研究了快速凝固Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y合金薄带的破碎和烧结成型。TiAl基合金薄带经过球磨后破碎为细小的颗粒,球磨2h后的颗粒尺寸小于75μm。在1200℃烧结快速凝固TiAl基合金粉末得到了完全致密度的块体。进一步提高烧结温度对合金密度影响不大,但是对烧结块体的显微组织及相结构有显著影响。烧结块体主要由γ和α2相组成。随着烧结温度的升高,α2相的体积分数降低,块体合金由近γ组织演变为近层片组织,且组织逐渐粗化,但是长大不明显。与同成分的铸态母合金相比,快速凝固TiAl基合金的烧结块体组织细小均匀,没有显微偏析,从而提高了合金的强度和塑性。在1260℃烧结的块体具有良好的综合力学性能,室温压缩断裂强度和压缩率分别为2984MPa和41.5%,高温(800℃)拉伸断裂强度和伸长率分别为527.5MPa和5.9%。


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