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激光熔化沉积TC11/γ-TiAl双合金材料的工艺、组织及性能

徐志军  
【摘要】:TC11钛合金具有低密度、优异的中高温强度、疲劳蠕变性能好等特点,优良的综合性能使其发展成为一种新型的、极具应用前景的结构材料,近年来,被广泛应用于制造压气机盘和叶片等部件。钛铝合金材料自上世纪五十年代起就成为材料学科的研究热点。高熔点、低密度、高的弹性模量、优异的高温强度、良好的抗氧化能力及阻燃性使其能与高温合金钢及镍基超合金媲美,被广泛应用于航空航天及汽车领域,如发动机用高压压缩机叶片、低压涡轮、排气阀等结构件。随着发动机推重比的提高,叶片盘材料经历的工作环境也更复杂,表现为叶片与轮盘温度梯度的增大。设计制备一种既能发挥钛合金中高温性能又能发挥TiAl合金高温性能的双合金材料叶片盘具有重要意义。 本文研究了通过激光快速一体化成形技术手段设计与制备TC11/γ-TiAl双合金材料体系的可行性。采用直接过渡沉积的方式,制备出满足性能要求的TC11/TiAl双合金体系材料。对激光熔化沉积TC11及TiAl进行了物相分析。对不同扫描速度下的TiAl合金的显微组织进行了分析,确定了激光熔化沉积制备TiAl合金合适的工艺参数。研究了TC11/TiAl界面区的组织、成分及相组成,测试了TC11/TiAl双合金材料的室温拉伸强度。并在最后简要评价了激光熔化沉积中成分梯度制备Ti/TiAl合金体系的可行性。全文的主要结论如下: (1)XRD、OM、SEM分析表明,熔化沉积态TC11的相组成主要为α+p,并含有少量的α2相钛铝化合物,TC11呈现出篮网状组织形态及魏氏组织形态;熔化沉积态TiAl由仅2及Y相组成,为全片层组织结构。 (2)激光熔化沉积工艺参数对TiAl合金的显微组织有显著影响。高的扫描速度能提高凝固过冷度,从而抑制硼化物的偏析,细化晶粒;另一方面,高的扫描速度有利于魏氏组织及块形转变Ym的形成,并带来高的内应力,降低TiAl合金力学性能。由此,应当优化工艺参数获得优良的性能。合适的工艺参数可选择为:激光功率P为1.3-1.5kw,扫描速度为3-4mm/s。(3)对TC11/TiAl合金界面区进行了研究。SEM/EDS分析表明,在激光熔化沉积过程中,由于TC11对TiAl的稀释作用,在界面区形成了一层厚度的新相,其组成为α2+p/B2,在该界面区,高的冷却速率、低含量的铝元素及p稳定剂Mo元素的引入等因素抑制了丫相的形核及长大,从而使界面区表现为α+p的两相组织结构;从TC11侧到界面区,铝含量显著增加,促进了α相的生长;而界面区到TiAl侧,随着Al元素增加及Mo元素的稀释,β/B2相含量逐渐减少并转变为片层组织。 (4)由于B2相的硬脆性,在制备Ti/TiAl合金材料体系中应当尽量避免B2相的含量。相比成分梯度制备Ti/TiAl合金材料体系,采用直接过渡的制备方式同样能获得满足性能要求双合金材料。直接过渡方式制备的TC11/TiAl双合金材料的室温拉伸强度约为530MPa,断裂位置在TiAl(?)(?),表明了较好的界面强度。


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