（固体力学专业论文）TiAl金属间化合物高温动态力学行为及变形机理研究.pdf

摘要 目前对可能成为新一代高温结构材料的t i a l 金属间化合物的力学性能的研 究主要为t i a l 在不同温度下准静态力学行为的研究，而对t i a l 的抗冲击性能的 研究还仅仅处于起步阶段，且集中于t i a i 在不同温度下动态压缩力学行为的研 究当中。本课题来源于国家自然科学基金( 项目批准号9 0 5 0 5 0 0 2 ) ，旨在对t i a l 金属间化合物的动态高温拉伸力学性能和变形机理进行初步的探索。 本文对高温冲击拉伸试验技术中的加温技术进行了改造，研制了第四代基 于大热容量温升极大值原理的快速接触加温技术，从而将最高试验温度由7 5 0 提高至8 5 0 。 利用该高温冲击拉伸试验技术，在室温至8 4 0 下对等轴( n g ) 、近片层( n l ) 和双态( d p ) 组织的t i 4 6 5 a 1 2 n b 。2 c r 在3 2 0 、8 0 0 和1 3 5 0 s d 应变率下的冲击 拉伸力学行为进行了实验研究；同时在m t s8 0 9 材料试验机上对相应温度下应 变率为0 0 0 1 s q 的准静态拉伸力学行为进行了实验研究。试验结果表明，三种不 同微观组织的t i a l 具有类似的温度和应变率相关性。b d t t 均随应变率的增加 而上升。动载和静载下强度( 包括屈服应力和定应变下的流动应力，下同) 的 温度相关性曲线均被“特征温度 ( n gt i a i 约为6 5 0 ，其它两种组织的t i a l 约为5 0 0 ) 和b d t t 划分为i ，i i 和i i i 三个区域；其中在i 和i i i 区，强度随 温度的上升而下降，在i i 区，强度随温度的上升几乎无变化；且动载i i 区的温 度跨度要明显大于静载i i 区的温度跨度，也即动载下强度随温度上升而基本不 变的温度跨度要明显大于静载下的。总体上动载下材料的强度以及高温下的失 稳应变瓦高于静载下的强度和高温下的气( 指的是b d t t 以下的) ，但在本文 的高应变率加载范围内( 3 2 0 - 1 3 5 0 s 。1 ) 动载下的强度和吼的应变率相关性并不 明显。同时，动态加载下的硬化率均可看成与温度和应变率无关。由此可看出， t i a i 不仅呈现“高速韧 ，而且呈现了高温高速韧；也就是说材料动态下的高温 综合力学性能优于准静态下的。必须指出，三种微观组织的t i a l 随组织中片层 晶粒含量的增加( n g d p n l ) ，准静态下的b d t t 逐渐升高；动态下的真应 力真应变曲线中屈服点逐渐不明显，且硬化段也逐渐偏离线性。 s e m 断口分析表明，三种微观组织的t i a i 的断裂方式具有类似的温度和应 变率相关性。b d t t 以下，无论静载还是动载下的材料均为脆性断裂，且随温度 的升高，材料的断裂方式由穿晶解理断裂方式逐渐转变为沿晶断裂方式；而 b d t t 以上材料为塑性断裂，断口中出现大量韧窝。 t e m 显微分析表明，三种组织的t i a i 的变形机理也具有类似的温度和应变 率相关性。动载下试件中的位错密度明显小于静态下的位错密度，而形变孪晶 的密度却明显高于静载下的密度；动载下与静载下类似，温度越高越容易形成 孪晶，同时高温下形成的形变孪晶均会贯穿整个晶粒；但在本文的动态加载范 围内( 3 2 0 1 3 5 0 s 。1 ) ，形变孪晶的密度随应变率的增加无明显变化；且在动态加 载下存在一个类似于上述强度的温度相关性曲线中的“i i 区域 ，在此“i i 区域” 的温度范围内形变孪晶的密度基本上不随温度的上升而变化。层错不仅在不同 温度动载下的试件中的密度明显的高于静载下的密度，而且在本文的高应变率 加载范围内( 3 2 0 - - 一1 3 5 0 s d ) ，应变率越高越容易出现层错。综上所述，动态加载 下t i a l 的变形主要是受孪生( 层错) 机制控制的，而准静态加载下，t i a l 的变 形还受位错滑移机制控制。还必须指出，由于片层晶粒的晶界面积要高于等轴 晶粒的，n l 组织的晶界问相互运动在整个材料的变形过程中占有一定的比例， 导致片层晶内的孪晶层错带的密度要明显小于n gt i a i 以及d pt i a l 中等轴晶 粒内的；而d p 组织中的变形主要集中在等轴品粒内，而高廊变加载下d pt i a l 的片层晶群内几乎无明昂的变形特征。 孪生( 层错) 机制：j ，l i a l 的动强度明显高于静强度，但在本文的高应变 率范围内( 3 2 0 1 3 5 0 s 以) 动强度与应变率的相关性不明显。孪生( 层错) 机制 还使得t i a l 的硬化段基本成线性( n lt i a l 的硬化段受晶界运动影响有些偏离线 性) 且与温度和应变率无关。同时孪生( 层错) 机制还可提高材料的塑性，因 此b d t t 以下相同温度时，材料动载下的塑性也高于静载下的塑性。 基于z e r r i l l i a r m s t r o n g 模型，结合t i a l 变形机理的特征，本文采用了b c c 形式的z a 本构模型以描述t i a i 的流动特性，并给出了确定本构模型所用参数 的方法。拟合曲线与试验结果吻合较好，说明该模型能较好地表征三种不同微 观组织的t i a i 在3 5 0 - - 8 4 0 * ( 2 应变率为3 2 0 1 3 5 0 s 。1 下材料的流动特性。 总之，本文从宏观力学行为以及变形机理的角度，初步揭示了t i a l 有可能 成为一种抗冲击的高温结构材料。 关键字t i a i 金属间化合物高温动态变形机理本构方程 a b s t r a c t t h ec u r r e n tr e s e a r c ho nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft i a li n t e r m e t a l l i c s ap o s s i b l en e w - g e n e r a t i o ns t r u c t u r a lm a t e r i a ls e r v i n ga te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，i sm a i n l ya s s o c i a t e dw i t ht h em a t e r i a l sb e h a v i o ru n d e rq u a s i s t a t i cl o a d i n g sa n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s h o w e v e r , r e s e a r c ho nt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft i a li ss t i l li ni t si n i t i a l s t a g e ，m a i n l yf o c u s e do nt h ec o m p r e s s i v eb e h a v i o ro ft i a lu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a - t u r e sa n ds t r a i nr a t e s t h i sp r o j e c t ，s u p p o r t e db yn s f c ( n o 9 0 5 0 5 0 0 2 ) ，a i m st oe l e m e n t a r i l yi n v e s t i g a t et h et e n s i l ei m p a c tr e s p o n s eo ft i a li n t e r m e t a l l i c sa te l e v a t e d t e m p e r a t u r e sa n di t sd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m i nt h i ss t u d y , t h eh e a t i n gt e c h n i q u eu s e di nt h et e n s i l ei m p a c tt e s t i n ga te l e v a t e d t e m p e r a t u r e si si m p r o v e d c o n s e q u e n t l y , t h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r eu pt o8 5 0 。ci nt h e e x p e r i m e n t si sa c h i e v e d t h et e n s i l ei m p a c tb e h a v i o r so ft i - 4 6 5 a l 一2 n b 一2 c rw i t hd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e s ，n e a rg a m m a ( n g ) ，n e a rl a m e l l a r ( n l ) a n dd u p l e x ( d p ) ，w e r ei n v e s t i g a t e d u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sr a n g i n gf r o mr o o mt e m p e r a t u r e ( r t ) t o8 4 0 a n d s t r a i nr a t e so f3 2 0 ，8 0 0a n d135 0s a l s o ，t h eq u a s i s t a t i ct e n s i l ee x p e r i m e n t sa ta s t r a i nr a t eo fo 0 01s qa n dc o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e sw e r ec a r d e do u tu s i n gm t s 8 0 9t e s t i n gs y s t e m 砀er e s u l t ss h o wt h a tt h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fn gn la n d d pt i a l sa l le x h i b i ts i m i l a rd e p e n d e n c eo nt e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e t h eb r i t t l et o d u c t i l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e s ( b d 田i n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gs t r a i nr a t e s t h e t e m p e r a t u r e - d e p e n d e n c ec u l - v e so fs t r e n g t hu n d e rd y n a m i ca n dq u a s i s t a t i cl o a d i n g c o n d i t i o n sa r ed i v i d e di n t ot h r e er e g i o n s ，r e g i o ni ，i ia n di i i ，b ya “c h a r a c t e r i s t i c ” t e m p e r a t u r e ( a b o u t6 5 0 f o rn gt i a la n da b o u t5 0 0 f o rt h eo t h e rt w o ) a n d b d t t i nr e g i o n sia n di i i ，t h es t r e n g t h sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e s ， w h e r e a si nr e g i o ni i ，t h es t r e n g t h sr e m a i nn e a r l ys t a b l e t h et e m p e r a t u r er a n g e so f r e g i o ni iu n d e rd y n a m i cl o a d i n g sa r ew i d e rt h a nt h o s eu n d e rq u a s i s t a t i cl o a d i n g s t h a ti st os a yt h et e m p e r a t u r er a n g e si nw h i c ht h es t r e n g t h sr e m a i ns t a b l ew i t hi n - c r e a s i n gt e m p e r a t u r eu n d e rd y n a m i cl o a d i n g sa r cw i d e rt h a nt h o s eu n d e rq u a s i s t a t i c l o a d i n g s o nt h ew h o l e ，t h es t r e n g t h sa n du n s t a b l es t r a i n s 毛u n d e rd y n a m i cl o a d i n g sa r eh i g h e rt h a nt h o s eu n d e rq u a s i - s t a t i cl o a d i n g s ，w h e r e a st h e r ei sn os i g n i f i c a n t s t r a i n - r a t ed e p e n d e n c eo ft h o s eu n d e rh i 曲s t r a i nr a t e sr a n g i n gf r o m3 2 0t o135 0 s qi n t h i ss t u d y a tt h es a m et i m e ，t h ew o r k - h a r d e n i n gr a t e su n d e rd y n a m i cl o a d i n g sa r e i n d e p e n d e n to ft e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e i tc a nb e c o n c l u d e dt h a tt i a ii sa 1 l i g h - v e l o c i t yd u c t i l em a t e r i a l t h a ti st os a y , t h ec o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e so ft i a la t e l e v a t e dt e m p e r a t u r e su n d e rd y n a m i cl o a d i n g sa r eb e t t e rt h a nt h o s eu n d e rq u a s i - s t a t i c l o a d i n g s i tm u s tb ep o i n t e do u tt h a t ，w i t hi n c r e a s i n gv o l u m e so fl a m e l l a rc r y s t a l s ( n g d p n l ) ，t h eb d t ti n c r e a s e su n d e rq u a s i - s t a t i cl o a d i n g s ，t h ey i e l dp o i n t si n t h et r u e s t r e s st r u e s t r a i nc u r v e sb e c o m el e s sa n dl e s sc l e a ra n dt h ew o r k - h a r d e n i n g p a r si nt h ec u r v e sb e g i nt od e v i a t ef r o ml i n e a r i t y t h es e mf r a c t o g r a p h i co b s e r v a t i o ns h o w st h a tt h e r ee x i s t ss i m i l a rt e m p e r a t u r e a n ds t r a i n r a t ed e p e n d e n c eo ff r a c t u r em o d ef o rt h et h r e et i a l s b e l o wb d t t , t h e m a t e r i a l sa r eb r i t t l ea n dt h ef r a c t u r em o d e sc 1 1 a n g cf r o mp l a n a rc l e a v a g ef r a c t u r et o i n t e r g r a n u l a rf r a c t u r ew i t hi n c r e a s i n gt e s tt e m p e r a t u r e s h o w e v e r , a b o v eb d t t , t h e m a t e r i a l sb e c o m ed u c t i l ea n dal a r g en u m b e ro f v o i d sa p p e a ro nt h ef r a c t u r es u r f a c e s t e ma n a l y s i si sp e r f o r m e dt oi n v e s t i g a t et h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so ft h e t h r e et i a l su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n ds t r a i nr a t e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e a l s oe x i s t ss i m i l a rt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n - r a t ed e p e n d e n c eo fd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m f o rt h et h r e e r i a l s t h ed i s l o c a t i o nd e n s i t yu n d e rd y n a m i cl o a d i n g si ss m a l l e rt h a n t h a tu n d e rq u a s i s t a t i cl o a d i n g s ，w h i l et h et w i n n i n gd e n s i t yu n d e rd y n a m i cl o a d i n g si s h i g h e rt h a nt h a tu n d e rq u a s i - s t a t i cl o a d i n g s s i m i l a r l y , u n d e rd y n a m i cl o a d i n g s ，t h e h i g h e rt h et e m p e r a t u r ei s ，t h eg r e a t e rt h et e n d e n c yf o rt w i n n i n gt oo c c t l r , w h i c hr e - s u i t si nt - w i n n i n g st h r o u g h o u tt h ew h o l ec r y s t a l n e v e r t h e l e s s ，w i t h i nt h er a t er a n g ei n t h ep r e s e n ts t u d y , t h et w i n n i n gd e n s i t yi sn o ts e n s i t i v et ot h ed y n a m i cs t r a i nr a t e sa n d t h e r ee x i s t sar e g i o n ，s i m i l a rt ot h ea f o r e m e n t i o n e dr e g i o ni i ，i nw h i c ht h et w i n n i n g d e n s i t yr e m a i n sn e a r l ys t a b l ew i t ht h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e s n o to n l y i st h ed e n s i t y o ft h es t a c k i n gf a u l t su n d e rd y n a m i cl o a d i n g sh i g h e rt h a nt h a tu n d e rq u a s i - s t a t i c l o a d i n g s ，b u ta l s ot h es t a c k i n gf a u l t sb e c o m em o r el i k e l yt oo c c u rw i t hi n c r e a s i n g d y n a m i cs t r a i nr a t e sw i t h i n t h er a t er a n g ei nt h i ss t u d y t os t l mu p ，t h ed e f o r m a t i o no f t i a lu n d e rd y n a m i cl o a d i n g si sc o n t r o l l e dc h i e f l yb yt h et w i nm e c h a n i s m ，w h e r e a s u n d e rq u a s i - s t a t i cl o a d i n g st h a ti sa l s og o v e r n e db yt h ed i s l o c a t i o ns l i pm e c h a n i s ma u s w e l l i na d d i t i o n ，t h ep r o p o r t i o no fc r y s t a lb o u n d a r i e so fl a m e l l a rc r y s t a li sl a r g e rt h a n t h a to f e q u i a x e dc r y s t a la n dc r y s t a lb o u n d a r ys l i p p i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e d e f o r m a t i o np r o c e s so fn lt i a l t h e r e f o r e ，t h ed e n s i t yo ft w i n n i n g sa n ds t a c k i n g f a u l t si nn lt i a li sl o w e rc o m p a r e dw i mn gt i a ia n de q u i a x e dc r y s t a li nd pt i a i t h ed e f o r m a t i o no fd pt i a li sc o n c e n t r a t e di nt h ee q u i a x e dc r y s t a la n dt h e r ea r en o o b v i o u sd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h el a m e l l a rc r y s t a lc o l o n yi nd pt i a iu n d e r d y n a m i cl o a d i n g s a sar e s u l to ft h et w i nm e c h a n i s m ，t h es t r e n g t ho ft i a iu n d e rd y n a m i cl o a d i n g s i so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a tu n d e rq u a s i - s t a t i cl o a d i n g s ，t h ef o r m e rb e i n gn o ts e n s i t i v et ot h es t r a i nr a t e sw i t h i nt h er a n g ei nt h i ss t u d y , a n dt h ew o r k - h a r d e n i n gp a r t si n t h es t r a i n - s t r e s sc u r v e sa r eb a s i c a l l yl i n e a r , w i t ha ne x c e p t i o nt h a tt h ew o r k - h a r d e n i n g p a r t so fn lt i a ld e v i a t es o m e w h a tf r o ml i n e a r i t yd u et ot h es l i p p i n go ft h ec r y s t a l b o u n d a r i e so fl a m e l l a rc r y s t a l s m o r e o v e r , t h et w i nm e c h a n i s mi sf o u n dc a p a b l eo f i n c r e a s i n gt h ed u c t i l i t yo ft i a l c o n s e q u e n t l y , b e l o wb d t t , t h ed u c t i l i t yu n d e rd y n a m i cl o a d i n g si sb e t t e rt h a nt h a tu n d e rq u a s i s t a t i cl o a d i n g s u p o nt h eb a s i so fz e r r i l l i - a r m s t r o n gm o d e la n dt h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t i a i ，ab c ct y p eo fz - am o d e li se m p l o y e dt od e s c r i b et h ef l o wb e h a v i o ro ft h e t h r e et i a l s ，a n dam e t h o di sp r o p o s e df o rd e t e r m i n i n gt h ep a r a m e t e r si n v o l v e di nt h e m o d e l t h ef i t t e dc u r v e sf i n dc o m p a r a t i v e l yg o o da g r e e m e n tw i t ht h et e s tr e s u l t s t os u mu p ，f r o mt h ep o i n to fv i e wo fm a c r o m e c h a n i cb e h a v i o ra n dd e f o r m a t i o n m e c h a n i s m ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt i a ii n t e r m e t a l l i c sw i l lp r o b a b l yb e c o m eas t r u c t u r a l m a t e r i a lt h a ti sc a p a b l eo fs u f f e r i n gb o t hh i g ht e m p e r a t u r ea n di m p a c tl o a d i n g s k e yw o r d st i a li n t e r m e t a l l i c s ；d y n a m i cr e s p o n s eu n d e re l e v a t e dt e m p e r a t u r e ；d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ；c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盟 2 0 0 8 年6 月1 2 日 致谢 在本文成文之际，首先要感谢我的导师夏源明教授和汪洋教授。两位老师从 我博士阶段论文的选题、实验研究一直到最后的成文都付出了大量的时间和精 力。尤其是两位老师生病期间，仍然坚持工作，对我的博士论文进行细致的指导， 让我深深的感动。一日为师，终生为父。博士研究生阶段的师生感情可以说是一 个人除了和自己的亲人以外最深厚的感情。至此，衷心的感谢两位老师多年的关 心，并祝愿两位老师身体健康。 在此要特别感谢我的父母及家人。在我人生经历巨大挫折的时刻，是他们一 直陪在我的身边，陪我渡过难关，给予我最大的支持，支持我最终顺利地完成学 业。 感谢中南大学的贺跃辉教授、陈豫章师傅和江壶博士在材料制备过程中的无 私帮助。在贺跃辉教授的指导下，制备出了性能优异的试验用材料，为整个试验 的顺利进行打下了良好的基础。 感谢黄文师兄对我试验入门上的帮助和合作。感谢马钢、龚明、李子然和王 宇老师对我论文工作的关心。 感谢中国科学技术大学的刘云平、俞斐老师以及西安理工大学的卢正欣副教 授对我博士论文工作中测试和显微分析工作的大力支持。 感谢课题组夏勇、秦勇、王硕贵、董世明、程添乐、李大应、陈晓宏、董毅、 宋吉舟、王晓军、蔡盛强、聂旭、黄胜以及李兵、吴福麒、宫旭辉、曹侃、陈睿、 陈翔、包秀图、段中林、李旭、马新忠、曲洪磊、何涛、赵珍辉、王东、付顺强、 黄梦溪、曾光、何丽灵等同学在平时的学习和生活上对我的帮助，与他们在课题 组这几年的愉快相处让我永生难忘。 ， 感谢安徽农业大学的李哲老师对我生活上的照顾。 本文是在国家自然科学基金( 不同温度下t i a i 金属间化合物动态力学性能 的研究，项目批准号9 0 5 0 5 0 0 2 ) 的资助下完成的，借此机会对国家自然科学基 金委表示感谢。 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 新一代航空和汽车所用发动机要求新型的高温结构材料应该具有“更强、 更硬、更轻、更( 耐) 热的特点 1 。近1 0 年来，这些新型的高温结构材料， 如超合金( n i 基) 、碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料以及金 属间化合物等引起了汽车和航空行业的密切关注，且使用量逐年上升( 如图1 1 ) 2 ，3 。 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 0 2 0 1 0 年扮 图1 1 先进发动机用材料发展趋势【2 ，3 】 p t i a l 金属间化合物以其独特的高温性能自上世纪6 0 年代末期就已引起了 大家的广泛注意，尤其是在上个世纪末已经在汽车工业中有初步应用【1 7 】。 丫- t i a i 金属间化合物具有面心四方结构，由轻质的t i 和a l 原子按1 ：1 的原子比沿 【0 0 1 】方向周期相间堆垛而成，晶胞c a = 1 0 2 ( 如图1 3 所示) ；其熔点高( 1 4 4 0 ) ，具有良好的高温稳定性，抗氧化能力和抗“钛火能力，耐磨性能好；弹 性模量和抗蠕变性能均高于钛合金，与n i 基高温合金相当，但密度还不到n i 基 合金的一半( 3 9 9 r a m 3 ) ；比强度( 9 5 - - - 1 5 5m p ac l l l 3 儋) 和比模量高( 4 0 - 4 6g p a c m 3 g ) ，甚至在高温下都具有高比刚度，这对航空及汽车用轻型结构工件的设计 是最为有益的。t i a i 在韧脆转变温度( b d t t ) 以下，温度对材料的强度影响小， 弹性模量和强度随温度的升高而缓慢下降，其使用温度可望达到9 0 0 甚至更高 【1 ，5 ，7 1 2 】。 帕 撕 m 枣撖凝容翻隧 第1 章绪论 然而由于t i a i 晶体对称性低，滑移系少，且共价键成分大，电子云分布不均 匀，因此卜t i a l 室温塑性差，一般只有1 左右 8 1 0 ，1 3 ，1 4 ；_ r y - t i a l 在常温下 的加工性能也差，这些必然影响y t i a l 在工业上的应用。近几十年以来，如何提 高丫- t i a l 的室温塑性成为广大科研工作者和工程师们关注的热点。目前较成熟的 方法是通过微合金化处理和相应的后续复合热机械处理等手段，以细化晶粒、 调控合金微观组织和净化合金，从而提高t i a l 的塑性【1 3 】。现阶段使用的t i a i 基 合金，其强度可以高达1 g p a ，室温塑性可以达到4 。 近几年，随着许多国家下一代空天和近空间飞行器相关项目的上马，对高 温结构材料的需求有了更进一步的提高不仅需要结构材料要耐高温，甚至 需要具有一定的抗冲击能力。在我国，国家自然科学基金委员会先后在2 0 0 6 年 空天飞行器的若干重大基础问题【1 5 矛u 2 0 0 8 年近空间飞行器的关键基础科 学问题【1 6 重大研究计划中所资助的项目中专门提出了“轻质：强韧、抗撞击、 防热结构及其材料一体化设计的理论和方法 、“超轻质多功能材料、新构型和 材料、结构一体化优化设计方法 和“材料力热耦合响应机理及热防护结构设 计原理与方法”等科学目标，同时在后者的核心科学问题中专门提出“先进轻 质材料的抗冲击设计理论这一研究仃务。 随着t i a l 塑性的提高，广大科研工作者和工程师们发现t i a l 基合余板材的 制备和应用是t i a l 基合金实用化中较易实现的一个突破l j ，也是最重要的研究 方向之- 1 7 】。其中，解决其薄板的制备以及超塑性成型( s u p e r p l a s i cf o r m i n g ， s p f ) 是关键技术【1 ，5 。s p f 是航空航天工业中广泛使用的成型技术之一，已经 被广泛的应用于t i 基合金零部件的制备工艺中。在过去近1 0 年中，对铸造或者 粉末冶金制备的原材料利用s p f 成型技术制备t i a i 薄板的工艺已经有了长足的 进展，并且对t i a i 的超塑性力学行为也进行了广泛的研究 1 8 2 8 。y - t i a l 基合 金薄板既可以直接用作结构材料，又可以用作超塑性成型的预成形材料，并用 于制备近净成型航空、航天发动机的零部件以及超高速飞行器的机翼、壳体， 发动机的涡轮叶片和导弹尾翼等【1 ，1 7 ，2 6 ，2 9 3 2 1 ；此外，t i a i 薄板应用的另一 个潜在的领域是未来可重复发射的航天飞船( r l v ) 的热保护系统( t p s ) 【l ，7 ， 3 3 。r l v 在返回地球的时候，其表面温度可达8 5 0 。而这些部件在服役的过 程中往往会受到冲击载荷。t i a l 薄板的应用可使r l v 的外壳具有超轻、刚性强、 耐用并且容易组装的特点。该项应用已纳入一些国家和国际组织的研究计划当 中 1 ，5 ，2 6 ，3 3 。作为高温性能优异的t i a l 金属间化合物能否在制备工艺上有所 2 第l 童绪沦 突破制备出薄板或者栅格结构( 图12 ) 1 ，7 ，3 i 】和以y t i a i 为基的复合材料并 应用在飞行器上是开拓t i a i 应用的次机遇。由此可见，7 一t i a i 金属间化台物 在汽车和航空航天工业中已展现出令人瞩目的发展前景不仅极有。u 能部分取 代现役的n 基高温台金而成为未来航空航天和汽车工业领域重要的高温结构材 料【卜6 ，g - 1 0 ，1 2 ，3 1 ，3 4 - 4 6 ) + 甚至可能成为抗冲击的高温结构材料。 图12 ( a ) n a s a n a s ag l e n nr e s e a r c hc e n t e r 制各的t i m 栅板1 1 ，3 1 ( b ) 刚性、轻型yt i m 蜂窝状芯和三明治平板 7 第l 章绪论 作为可能成为下一代抗冲击的高温结构材料的t i a l 金属e j j 化合物，无论从工 程应用的角度，还是从改进材料| 生能的角度，研究t i 川金属州化合物高温动态力 学行为和变形机理均是1 分必要的。下面将对t i a i 金属i l q 化合物的制蔷、微观组 织和j 学行为及其变形机理等作一综述。 1 2 合金成分和制备工艺及其对t i a 力学性能的影响 目l3 给出了5 0 a 1 含量( 原子比) 附近的t i a i 平衡相图 1 。通常根抓 a l 古量的高低，7 - t i a i 基台金可以分为单相7 和烈相( “2 竹) 台余。台有极少量 f i j 隙掺杂原子( 1 0 0 0w tp p m ) 印j 单相t t i a i 在室温f 其断裂应变仅有o5 1 【l ， 1 4 ，4 7 1 。虽然可以通过改变合金的成分米提高其断裂应变但是还是无法满足愤 川要求。另外，单, f k l y t i a i 在制畚利热加工过程叶；】，品粒非常容易生长得过于柑 大，严重影响其力学性能。相列1 二单相y t i a i 面占，含有少量2 相的x x , f l ? - t i a i 基台会的机械性能明显优丁单相“2 或y 基合金而成为当前研究的重点【5 ，8 ，1 0 ，4 7 4 8 1 。尽铝如此，i i l 仍存在较低的室温塑性和差的机械加丁陛，在8 0 0 以上 抗氧化性能差以及1 0 0 0 c 以上强度过低，这些均严重影u m 了t i a 的广泛应用f s 1 0 1 。如前所述，通过儿十年的研究，t i a i 的上述缺点己得到很大的改善，并对 成分、制备工艺、微观组织与力学行为之f j j 的关系已经有了较允分的认识【1 ，8 - 1 0 4 95 0 ( ) o 】1 旷 79 t l o a 图1 , 3y - t i a i 结构及平衡相图( 局部) 一割一 第l 章绪论 目前工业上制备t i a l 金属间化合物的典型工艺有铸锭变形合金冶金工艺 ( 挤压+ 锻造以及等温锻造方法) 、常规铸造方法和粉末冶金方法 4 】。图1 4 9 】 给出了这些方法制备过程的流程框图，图中虚线上方工艺过程中同时包含合金 化工艺，虚线下方部分为复合热处理工艺过程。 一般常见的t i a i 基合金的成分为t i 4 5 5 2 a 1 4 5 - 4 8 - x 1 3 y 2 5 z l ，其中x 指c r , m n ， v ，y 指n b ，t a ，w ，m o ，z 指s i ，b ，c 1 ，5 1 。一般而言，c r , m n 和v 可以降低 堆垛层错能的，从而可以通过形变孪晶的密度来提高材料的室温塑性：其它的 元素可以提高材料的高温性能，如抗氧化性能和蠕变性能等 1 ，1 0 ，5 2 5 5 】；通常 工程上应用的p t i a l 基合金中均在上述两类元素中各含有一种元素。 i mp m c a s t i n g 图1 4t i a i 的典型制备工艺 大量研究表明，在粗大晶粒的单相y t i a l 合金中，由于受到t i a l 结构特征 的制约，位错滑移困难，变形过程中容易形成位错网络和长的位错塞积，导致 合金过早解理断裂；而在较小尺寸的晶粒内，可以减少位错网络和长的位错塞 积；因此细化晶粒是改善该材料室温塑性的重要措施 5 6 】。此外，c h u 等 5 7 1 、 m e r c e r 等【