（材料学专业论文）铸造tial基合金显微组织细化及其高强力学性能研究.pdf

， a ni n v e s t i g a t i o no n m i c r o s t r u c t u r e r e f i n e m e n ta n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f h i g h s t r e n g t hc a s tt i a la l l o y s d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n g u n i v e r s i t yf o rp h d d e g r e e s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gj i a n n o n g c a n d i d a t e ：y a n g j i e s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y , s h a n g h a i2 0 0 0 30 p e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a j u n e ，2 0 0 3 脚8 腓m 32 m 1舢8 舢1肌y - 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 杨主 日期： o 多年7 ) 月f 日 i 、 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容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和汇编本学位论文。 ? 保密画，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：苄匆主 日期：p 弓年7 月e l 舯狮躲触 日期：垆 丫。当冷速较快时形成块状丫组织( m a s s i v e 丫，1 ，m ) ，而在冷速稍慢时形成羽毛状丫组织 ：* h e r y1 ，丫f ) ，丫m 丫f 相对铸态起始组织要细小许多。另外，当丫相快速升温至0 c 相区时， 小生块型转变的逆转变，即丫一仪，理论上0 c 可沿四个不同取向从单一y 相中析出，这样 - 止个y 晶粒可被细化成四个。这两个相变反应正是t o pd o w n 思路下热处理细化法的主 要细化机理。实验通过循环快速热处理( c r h t ) 方法，使相变得以重复进行，有效地细 化了t i 一4 6 a 1 2 n b 2 c r ( a t ) 合金，使原始晶粒度大于l m m 的铸态组织细化为晶粒度在 5 0 i ，t m 以下的全层状组织，实现了不通过热机械处理即获得组织细化的目的。 研究发现，冷却速度的快慢直接影响最终细化效果，较快的冷却速度有利于细化， 并能加快细化进程，这是由于较快的冷速有利于获得具有高密度位错等缺陷的块型转变 组织y m ，从而在丫寸a 转变时有更多的a 相形核位置。在c r h t 中引入近a ( 以相为主 的0 c q 双相组织) 处理工艺，可以进一步改善快速循环热处理后组织的均匀性。 利用循环热处理进行组织细化的关键之一是获得块型转变及其产物y m 饥组织。对于 传统合金来说，必须通过快速冷却( 如水冷或油冷) 方能实现，而这一冷却方式可能导致 薄壁件的变形和大尺寸部件淬透性的下降。本论文研究了合金成分对块型转变的影响， 发现通过成分调整，可使t i 一( 4 6 - 4 8 ) a 1 - ( 6 - 8 ) n b ( 2 3 ) c r - ( 0 2 ) w ( a t ) 合金在较慢的冷却 ( 上海交通火学博士学位论文 条件下( 如空冷) 即可获得块型转变产物丫f ，在经过近丫( 以丫相为主的0 c 岬双相组织) 处理后， 然后采用c r h t 方法实现了空冷条件下合金组织的大幅度细化。 当t i a i 合金熔液在凝固过程中先析出p 相时，随后仪相的择优生长会因少量p 相的存 在而受到抑制，同时伐相从p 相中的直接析出具有众多的取向，这样铸态组织相对传统粗 晶组织会有较大的细化。经过p 单相区的凝固路线被称为励锄轭曰蹭线，而只经过a + f 3 5 叹 相区的被称之为叶屈毙曰毒嬲。b o t t o mu p 细化法正是通过合金成分的调整改变了t i a i 合金的凝固路线，使其按p 旭+ p 凝固路线进行，获得了晶粒度在5 0 p m 左右的均匀细晶 | 铸态起始组织。 研究了铝含量变化对t i a l 合金起始组织和凝固路线的影响，随着铝含量的降低， 1 3 a + 1 3 ；f h 凝固路线特征增强，铸态柱状晶特征减弱，获得了细晶铸态组织。另外，合金 中p 相稳定元素如w 和n b 等元素的加入，使高温d 相得以在冷却中保留到室温，这种少 量p 相的存在限制了0 【相晶粒的长大，成为控制晶粒尺寸的第二因素。所研制的p 凝固合 金t i 一( 4 4 - 4 7 ) a 1 一( 2 - 7 ) n b 一( 0 - 5 ) c r - w - b ( a t ) 仅通过简单的一步热处理( 在仪相转变温度点 以上保温一段时间然后以较慢的速度冷却) 即可获得晶粒尺寸在5 0 m 的近全层状烈f l ) 组织，且在高温( 1 3 0 0 。c 1 4 0 0 c ) 下长时间保温处理仍能维持较小的晶粒度。 论文对p 凝固铸造合金的力学性能进行了研究，发现该铸造合金具有很高的室温及 高温强度，如室温抗拉强度达到9 1 3 m p a ，大大超过了传统铸造t i a i 合金的强度值 ( 4 0 0 - 6 0 0 m p a ) ，接近近期在研先进变形t i a l 合金的强度水平( 7 0 0 1 0 0 0 m p a ) 。本铸造合 金的高强度主要来源于细晶层状组织产生的细晶强化和0 【2 相界强化以及高熔点合金元 素的加入导致的固溶强化。合金力学性能同时受到显微组织形态的影响，通过适当调控 可使这种超强合金的室温延性达到1 1 左右，并且具有较好的机械加工性能。 粗晶铸造t i a l 合金( 仪凝固) 的热处理组织细化方法的开发与研究，为组织细化提供 了新的有效途径，避免了热机械处理，简化了工艺，降低了成本。同时，不同热处理细 化法的研究适应了不同的应用背景及条件，使该方法的推广成为可能。细晶高强铸造 t i a l 合金( d 凝固) 的研制为y i a l 合金的组织细化提供了一个全新的思路；该合金的开发 研究使铸造t i a l 合金的性能有了大幅度提高，成为改善铸造t i a l 合金性能的新方法； 该合金铸态下组织均匀，各向异性小，且组织控制简单，这对于近终成形的精密铸件( 如 涡轮叶片、增压器涡轮1 的性能提高及组织控制来说具有重要意义；由于该合金性能优 良，制备工艺相对简单，可以在某些应用领域取代变形t i a l 合金及有关部件。 关键爆t i a l 基合金，组织细化，全层状组织，热处理，凝固路线，微合金化， 力学性能 上海交通大学博士学位论文 a ni n v es t ig a t i o no nm i c r o s t r u c t u r e r e f i n e m e n ta n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f h i g h s t r e n g t hc a s tt i a la l l o y s a b s t r a c t y - t i a la l l o y sa r eo fg r e a ti n t e r e s tt oa e r o s p a c ea n da u t o m o b i l ei n d u s t r i e sb e c a u s eo ft h e i r o u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s ，s u c ha sl o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i ce l a s t i cm o d u l u sa n ds t r e n g t h ，g o o d h i g h t e m p e r a t u r ec r e e pr e s i s t a n c ea n do x i d a t i o nr e s i s t a n c e b a s e do nt h ei n t e n s i v er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n ti nt h ep a s td e c a d e s ，t i a la l l o y sa r en o w a p p r o a c h i n gp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s c u r r e n t l y , i ti sc r i t i c a lt of i n da p p r o p r i a t em e t h o d st oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h r o u g hc o n t r o l l i n gt h em i c r o s t r u c t u r ea n da l l o yc o m p o s i t i o n n u m e r o u se x p e r i m e n t sh a v e s h o w nt h a tt h o s e a l l o y sw i t haf i n ef u l l yl a m e l l a r ( f l ) s t r u c t u r ep o s s e s sg o o db a l a n c e d p r o p e r t i e s t h em a i nm e t h o d st h a tw e r ew i d e l ye x e r c i s e df o ro b t a i n i n gs u c has t r u c t u r ea r e t h e r m o - m e c h a n i c a lt r e a t m e n t s ，e g h o te x t r u s i o n ，h o tf o r g i n g ，a n dh o tr o l l i n g b e c a u s et h e y i n v o l v em e c h a n i c a lp r o c e s s e si nv a c u u m ，t h e ya r et h u sc o n s i d e r e dt ob ec o m p l i c a t e da n d c o s t l yi nac o m m e r c i a ls e n s e b e s i d e s ，t h e yc a n n o tb eu s e df o rt h em i c r o s t r u c t u r ec o n t r o lo f i n v e s t m e n t c a s tp a r t s i no r d e rt od e a lw i t ht h ea b o v ei s s u e s 埘t 1 1t i a la l l o y s ，t h ep r e s e n tt h e s i sp r o p o s e st w on e w a p p r o a c h e sf o rm i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n t t h ef i r s to n e ，d e s i g n a t e da st o pd o w n ，i sf o rt h e c a s et h a tt h ei n i t i a lc a s tm i c r o s t r u c t u r e ，w h i c h o r i g i n a t e s f r o mt h ec o n v e n t i o n a la s o l i d i f i c a t i o n ，i sc o a r s e s u c ham i c r o s t r u c t u r ei sr e f i n e dt h r o u g hh e a tt r e a t m e n to n l y , r a t h e r t h a nt h ep r e v i o u st h e r m o - m e c h a n i c a lt r e a t m e n t s t h es e c o n da p p r o a c h ，r e f e r r e dt oa sb o t t o m u p ，i s f o rt h ec i r c u m s t a n c et h a taf i n ec a s tm i c r o s t r u c t u r ei s d e v e l o p e dt h r o u g hd s o l i d i f i c a t i o nf i r s t s u c ham i c r o s t r u c t u r ei st h e nt u n e dt ob eaf i n ef ls t r u c t u r et h r o u g ha s i n g l e s t e ph e a tt r e a t m e n t t h et o pd o w na p p r o a c hm a i n l yu t i l i z e st h er e f i n i n ge f f e c to f p h a s et r a n s f o r m a t i o no nm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nd u r i n gh e a tt r e a t m e n t ，w h e r e a st h eb o t t o m u po n em a i n l yu s e st h er e f i n i n ge f f e c to fs o l i d i f i c a t i o n w h e nt h ec o n v e n t i o n a lc o a r s et i a ia l l o y sc o o lf r o mh i g ht e m p e r a t u r e ，t h eo 【p h a s ec o u l d t r a n s f o r mt o 丫p h a s ed i r e c t l y , i e ，m a s s i v et r a n s f o r m a t i o n ( 0 _ 吖) i ft h ec o o l i n gr a t ei s r e l a t i v e l yr a p i d ，t h eo b t a i n e d 丫i sm a s s i v e 丫( 丫m ) i ft h ec o o l i n gr a t ei ss l o w e r , t h ep r o d u c ti s f e a t h e r y 丫( 丫f ) s i n c et h e 丫ma n dy fa r em u c hf i n e rt h a nt h es t a r t i n gc a s tm i c r o s t r u c t u r e ，t h e m a s s i v et r a n s f o r m a t i o nc a nt h u si n d u c eg r a i nr e f i n e m e n t i na d d i t i o n ，w h e nt h e1 ，p h a s ei s r a p i d l yh e a t e dt ot h e 仪p h a s ef i e l d ，t h er e v e r s er e a c t i o no fm a s s i v et r a n s f o r m a t i o n ( 丫争仪) w o u l do c c u r i nt h e o r y , t h e0 【p l a t ec a np r e c i p i t a t ea tf o u rd i f f e r e n to r i e n t a t i o n si ne a c h 丫g r a i n t h i sb e h a v i o rr e s u l t si nt h a te a c h1 ，g r a i nc o u l db ed i v i d e di n t of o u rd o m a i n s ，a n dt h u sf u r t h e r g r a i nr e f i n e m e n t t h ep r e s e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o a r s ec a s tm i c r o s t r u c t u r eo ft h e 上海交通大学博士学位论文 t i - 4 6 a 1 2 n b - 2 c ra l l o yw i t hag r a i ns i z eo f - 1m l nc o u l db er e f i n e dt oaf i n ef ls 仃u c n l r ew i t h ag r a i ns i z e l e s st h a n5 0l a mm e r e l yt h r o u g h c y c l i c a lr a p i d h e a tt r e a t m e n t ( c i m t ) t h e r m o m e c h a n i c a lp r o c e s s i n gi sn ol o n g e rr e q u i r e d f o rt h e p r e s e n t “t o pd o w n ”a p p r o a c h ，t h ec o o l i n gr a t e i sa l li m p o r t a n tf a c t o r i n m i c r o s t r u c t u r ec o n t r 0 1 f a s tc o o l i n gi sf a v o r a b l ef o rr e f i n e m e n t ，a n ds p e e d su pt h er e f i n i n g p r o c e s s t h i si sar e s u l to ff o r m a t i o n jo fm a s s i v e l yt r a n s f o r m e d 、g r a i n s 心一、 西c o n t a i n i n ga h i g hd e n s i t yo fd e f e c t sb e n e f i c i a lt on u c l e a t i o no fap l a t e s t h ei n t r o d u c t i o no fan e a r - a t r a n s f o r m a t i o np r o c e s si nc r h tw a sf o u n dt oi m p r o v et h eh o m o g e n e i t yo ft h er e f i n e d m i c r o s t r u c t u r e i no r d e rf o rt h eo c c u r r e n c eo fm a s s i v et r a n s f o r m a t i o n ，af a s tc o o l i n gr a t es u c ha sw a t e ro r o i lc o o l i n gw a sn e e d e df o rc o n v e n t i o n a lt i - 4 7 a l 一2 c r - 2 n ba l l o y s b u ts u c hr a p i dc o o l i n g t e n d st or e s u l ti nt h es h a p ed i s t o r t i o no ft h i n - w a l lp a r t sa n dh e t e r o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r e s f r o mt h es u r f a c et ot h ei n t e r i o ro fl a r g e - s i z e dc o m p o n e n t s t h ep r e s e n ts t u d yt a c k l e dt h i s p r o b l e mt h r o u g ha d d i t i o no fa l l o y i n ge l e m e n t sw h i c hw a sk n o w n t oh a v ea ni m p o r t a n te f f e c t o nt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o ni nt i a la l l o y s i tw a sp a r t i c u l a r l yf o u n dt h a t ，w i t ht h ea d d i t i o no f al a r g ea m o u n to fn b ，t h em a s s i v e l yt r a n s f o r m e d 竹s t r u c t u r ec o u l db ea c h i e v e di nt h ea l l o y s o ft i 一( 4 6 4 8 ) a 1 - ( 6 8 ) n b - ( 2 - 3 ) c r - ( 0 - 2 ) w ( a t ) b y r e l a t i v e l y s l o wc o o l i n gs u c ha sa i r c o o l i n gf r o mt h e p h a s ef i e l d w i t hs u c hc o o l i n g ，t h ec o a r s ec a s tm i c r o s t r u c t u r ew a sa l s o g r e a t l yr e f i n e db yt h ec y c l i ch e a tt r e a t m e n t ，a st h a tf o rt h ea l l o yw i t hal o w e rc o n t e n to fn b u p o nf a s tc o o l i n g d i f f e r e n tf r o mt h ep r e v i o u ss t u d i e so na l l o y sw i t hac o a r s ec a s tm i c r o s t r u c t u r e ，t h i ss t u d y i n v e s t i g a t e dt h ep o s s i b i l i t yo fd e v e l o p i n ga l l o y s w i t haf i n ec a s tm i c r o s t r u c t u r et h r o u g h s o l i d i f i c a t i o n d u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o no ff a la l l o y s ，i ft h ef i r s t l ys o l i d i f i e dp h a s ei spp h a s e i nt h el i q u i d ，t h ep r e f e r e n t i a lp r e c i p i t a t i o no ft h e0 【p h a s el e a d i n gt ol a r g e d s i z e dc o l u m n a r g r a i n si ss u p p r e s s e d i na d d i t i o n ，d u r i n gc o o l i n g ，ap l a t e sc a nf o r mf r o mt h epp h a s ea t12 d i f f e r e n to r i e n t a t i o n s t h e r e b y , t h er e s u l t a n tc a s tm i c r o s t r u c t u r ec a nb ee x t r e m e l yf i n et h r o u g h t h e s ee f f e c t s s u c hs o l i d i f i c a t i o ni sr e f e r r e dt oa sbs o l i d i f i c a t i o no ra + ps o l i d i f i c a t i o n ， d e p e n d i n go nt h ep h a s e sp r e s e n ti nt h el i q u i d t h ep r e s e n t b o t t o mu p a p p r o a c hi n v o l v e d t h ea d j u s t m e n to ft h ea l l o y i n gc o m p o s i t i o na n da c h i e v e m e n to faf i n ec a s ts 仃u c t u r ew i t ha g r a i ns i z eo f 5 0g m t h ee f f e c to fa 1c o n t e n to nt h es o l i d i f i c a t i o np a t ha n dt h u st h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r ew e r e s t u d i e d w i t hd e c r e a s i n ga ic o n t e n t ，t h es o l i d i f i c a t i o np a t hw a ss h i f t e dt or e a c ht h ep 旭+ d s o l i d i f i c a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ea d d i t i o n so fa l l o y i n ge l e m e n t ss u c ha swa n dn b i n c r e a s e dt h es t a b i l i t yo fpp h a s ea n dt h u st h epp h a s ew a sr e t a i n e dt ol o wt e m p e r a t u r e t h e p r e s e n c eo fdp h a s ew a sf o u n dt or e s t r i c tg r a i ng r o w t ha tt e m p e r a t u r e sa b o v et h e 仪t r a n s u s t e m p e r a t u r e ( t d ) t h i si s t h es e c o n d a r yf a c t o rc o n t r o l l i n gt h ec a s tm i c r o s t r u c t u r e i nt h e p r e s e n t l yd e v e l o p e dt i 一( 4 4 4 7 ) a l 一( 2 7 ) n b 一( 0 - 5 ) c r - w - b ( a t ) a l l o y , t h eg r a i ns i z ei nt h ep s o l i d i f i e dm i c r o s t r u c t u r ew a s - 5 0i t m ，w h i c hi sm u c hf i n e rt h a nt h a ti nt h ec o n v e n t i o n a l0 c s o l i d i f i e do n e ( - lm m ) s t a r t i n gf r o ms u c haf i n ea s - c a s tm i c r o s t r u c t u r e ，af i n ef u l l yl a m e l l a r i v 上海交通大学博士学位论文 ( f l ) s t r u c t u r ew i t has i z eo f5 0 10 0 mw a sa c h i e v e dt h r o u g has i n g l e - s t e ph e a tt r e a t m e n t ( i eh o l d i n ga tat e m p e r a t u r ea b o v el f o l l o w e db ys l o wc o o l i n g ) t h ef a s tg r a i ng r o w t h n o r m a l l yf o u n dw i t ht h e 仪s o l i d i f i e da l l o yd i dn o tt a k ep l a c ee v e nw h e nt h ep r e s e n ta l l o yw a s t r e a t e da tt t af o r12 2 4h o u r s t h i sw a sar e s u l to ft h ep r e s e n c eo fd p h a s ea tg r a i n b o u n d a r i e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep r e s e n tds o l i d i f i e da l l o ya tr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e s w e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r e s e n tc a s t a l l o yw i t ht h ef i n ef l s t r u c t u r ep o s s e s s e dv e r yh i g hs t r e n g t h sa tb o t hr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e s f o re x a m p l e ，t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hw a su pt o913m p aa tr o o mt e m p e r a t u r ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n g e l o n g a t i o nm a i n t a i n e da t1 1 t l l i ss t r e n g t hi sm u c hh i g h e rt h a n 也a tf o rc o n v e n t i o n a lc a s t t i a la l l o y s ( 4 0 0 - 6 0 0m p a ) ，a n da p p r o a c ht h el e v e lf o rt h ea d v a n c e dw r o u g h tt i a la l l o y s c u r r e n t l ya v a i l a b l e ( 7 0 0 - 10 0 0m p a ) t h eu l t r a - h i g hs t r e n g t ho ft h ep r e s e n tc a s ta l l o yw a s s u g g e s t e dt om a i n l ya r i s ef r o mt h es t r e n g t h e n i n ge f f e c t so ft h ef i n eg r a i ns i z e ，仪2 i n t e r f a c i a l b o u n d a r ya n dt h es o l i d - s o l u t i o no ft h eh i g h m e l t i n gp o i n te l e m e n t s t h ep r e s e n tr e s e a r c ho nh e a tt r e a t m e n tm a yb r i n gu pa na l t e r n a t i v ea n de f f e c t i v em e t h o df o r m i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n to ft h ec o a r s ec a s tt i a la l l o y s 陋s o l i d i f i c a t i o n ) t h i sm e t h o di s m u c hs i m p l e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a lo n ei n v o l v i n gt h e r m o m e c h a n i c a lr o u t e s a n dt h u sh a st h e p o t e n t i a lt or e d u c et h ep r o c e s s i n gc o s t t h ec u r r e n ts t u d yo nt h ep r e p a r a t i o no ft h et i a la l l o y s t h r o u g hps o l i d i f i c a t i o np r o v i d e san e wa p p ( o a c hf o ro b t a i n i n gar e f i n e dm i c r o s t r u c t u r ea n d i m p r o v e dp r o p e r t i e s d u et ot h eu n i q u ef e a t u r e so ft h i sa p p r o a c h ，i tm a yb eu s e dt oi m p r o v e t h em i c r o s t r u c t u r ec o n t r o la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp r e c i s i o n c a s tp a r t s m o r e o v e r , s i n c e t h e s t r e n g t hw a si n c r e a s e dw i t ht h er o o mt e m p e r a t u r ed u c t i l i t yb e i n gm a i n t a i n e da ta r e a s o n a b l e1 e v e l ，t h ep r e s e n tds o l i d i f i c a t i o nt e c h n i q u em a yb eu s e dt od e v e l o pc a s tt i a l a l l o y sr e p l a c i n gw r o u g h tt i a la l l o y si ns o m ed e d i c a t e da p p l i c a t i o n s k e