多元Ti_2AlNb基合金的显微组织演变与性能研究
【摘要】:轻量化、高效能、低成本是航空航天结构材料发展的主要追求目标。Ti_2AlNb基合金因具有优异的综合力学性能使其成为在航空航天发动机领域最具潜力的轻质结构材料之一。然而,Ti_2AlNb基合金因存在室温断裂韧性、高温抗氧化性、蠕变性能不能满足高性能发动机结构材料设计所需的问题,从而极大的限制了该合金的应用。因此,如何通过材料成分设计、组织控制开发下一代高性能Ti_2AlNb基合金就成为亟待解决的现实问题。近年来,有关Ti_2AlNb基合金中添加第四元的Mo、Zr、V和Si合金化的研究已有大量报道,但主要集中在简单的四元Ti_2AlNb-X合金体系中。为此,从优化合金综合性能出发,设计了多种含Mo、Zr、V和Si的多元Ti_2AlNb基合金,以优异的抗氧化性能为判断准则,优选出一种新型多元Ti-22Al-25Nb-1Mo-1Zr-1V-0.2Si(at,%,下同)合金。探讨了合金的抗氧化行为以及成分对合金氧化行为的影响。再以该新型合金为研究对象,基于动态材料模型构建了该合金的热加工图,用于指导热加工工艺制定。最后,基于不同热加工参数和热处理工艺调控显微组织,获得了三种典型组织,分析测试了三种组织下的室温、高温拉伸性能以及蠕变性能。获得以下主要研究结果:设计优化出一种成分为Ti-22Al-25Nb-1Mo-1V-1Zr-0.2Si的Ti_2AlNb基合金,系统研究了该合金在650~850℃下的恒温氧化行为,发现其在850℃下氧化100h的氧化增重仅为0.41 mg·cm~(-2),表现出优异的高温抗氧化性能。并系统对比了该合金与工程化应用的Ti-22Al-25Nb合金在相同氧化条件下的氧化增重、氧化膜结构及元素分布。结果表明:Ti-22Al-25Nb合金在650~750℃时的氧化物主要由Ti O_2组成,在850℃时Ti-22Al-25Nb合金的氧化产物为Ti O_2和AlNbO_4。而多元的Ti-22Al-25Nb-1Mo-1V-1Zr-0.2Si合金氧化产物主要由Ti O_2,Al_2O_3和Nb O组成。揭示了两种合金高温氧化机理,并分析了Mo,V,Zr和Si元素添加对抗氧化性能的影响。通过热模拟压缩试验,获得了多元Ti-22Al-25Nb-1Mo-1V-1Zr-0.2Si合金的真应力-真应变曲线。基于合金热模拟压缩变形获得的真应力-应变数据,分析了合金峰值应力、变形温度和应变速率三者之间的关系,基于动态材料模型,构建了合金的本构方程和热加工图。确定了应变量为0.2和0.6下的失稳变形区(变形温度980~1050℃,应变速率约为1~10 s~(-1)),其耗散效率η值在0.24-0.48之间,且η值随应变的增加和应变速率的减小而增大。通过不同的热加工工艺调控合金的显微组织,探讨了显微组织对合金的室温、高温拉伸性能和蠕变性能的影响。发现通过在B2单相区锻造后空冷获得的板条状组织具有拉伸强度高、抗蠕变性能优异的特性,室温下抗拉强度为1188 MPa、高温拉伸强度为950 MPa,650℃/150MPa加载100h下的蠕变应变仅为0.12%。通过在O+B2相区锻造后空冷获得的等轴组织具有塑性高、抗蠕变和拉伸强度低的特征,其室温下的延伸率为9.0%,高温延伸率达到36%,650℃/150MPa加载100h下的蠕变应变大于0.20%。通过在α_2+O+B2三相区锻造后空冷获得的双态组织其室温、高温拉伸性能和蠕变性能介于板条和等轴之间。通过不同的热处理工艺调控合金的显微组织,探讨了热处理工艺对合金组织演变和性能的影响。发现随着固溶温度升高,初生α_2相尺寸变小,体积分数减少,α_2/O颗粒分布逐渐均匀化,B2相的体积分数增加。合金的室温、高温拉伸强度升高,塑性降低。随着时效温度升高,针状O相体积分数减少,但O相的厚度尺寸增加。合金的强度和塑性变化规律与固溶处理的规律相反,而合金的蠕变性能则呈现先降低后增加的分布规律。此外,阐述了高温拉伸过程中α_2相向O相动态转变的机制,并构建了α_2相动态分解的模型。