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t i a l 基合金在热处理过程中的组织演化 摘要 7 由于t i a l 基合金具有高的比强度，良好的抗氧化性等优良的性能，它 们在航空航天、汽车和涡轮发电等工业领域有着极其广泛的应用前景。 这类合金的机械性能和它们的显微组织结构有着很大的关系。一般说来， 具有全层状( f l ) 结构的粗大铸态结构具有足够高的断裂强度但是塑性 不足，而晶粒细小的双态( d p ) 结构的塑性不错但是强度不够高。研究者 发现具有细小晶粒尺寸的全层状( f f l ) 结构具有很好的综合性能。在过去 的一个年代，人们为了得到这种组织尝试了以机械热处理为代表的一批 处理方法。但这些方法大多涉及到高温和真空条件，从而无论是在实验 上还是在生产成本上都有一定的困难。 一 最近，我们成功地仅仅利用循环热处理( c h t ) 就将粗大的铸态t i a l 基 合金细化为f f l 结构。该工艺的基本原理在于，当t i a l 合金在单相相 区内进行固溶处理并快冷下来后，会发生块型转变。相变产物( 丫。) 相对于 铸态组织而言已经相当细小，更可贵的是，这种组织可以用来作为进一 步细化的理想的起始组织。j - 本文首先探讨了控制块型转变的重要控制因素。在不同的冷却速率下 得到的产物是很不一样的，而要得到块型转变，足够高的冷却速率是必 需的。但是，研究发现，进一步提高冷却速率将会导致块型转变竞争反 应c c 一叻的发生从而使得的百分比减少。零研究还发现，虽然在前人的 研究中鲜有报道，但剧固溶处理的时间和温度也是不可忽视的因素。为 了得到丫m ，必须要在足够高的温度下处理足够长的时间。、但是，在高温 下保温太长时间往往会导致初始o 【晶粒的过分长大从而使得丫。因为缺乏 足够的形核位置而减少。同时，研究还发现，j 具有比较细小的原始组织 的合金中更容易发生块型转变。通常认为，块型转变发生在那些a i 含量 大于4 6 的合金中，但是本研究发现，通过适当的合金化，含a i4 6 的 合金也可以发生块型转变。值得一提的是，上述这些控制因素不是独立 作用的，它们是相互关联的。1 。 在系统研究块型转变的过程中，我们发现在高温条件下长时间的暴露 会导致a 1 的蒸发，而这种蒸发的直接结果是样品表层因为贫a l 而和内 部显微组织结构不同。( 贫层的厚度受到各种因素的制约，包括保温时 间、温度、环境等等。一般来说，较长的保温时间和较高的温度会导致 更厚的贫a l 层的产生。由于a l 的蒸发导致的样品表层和内部的结构差 异会对这类合金的性能和服役行为产生影响。 为了使得y 。转化为f l 结构，必须考虑很多因素，包括温度，加热速 率等。较快的加热速率下得到的晶团尺寸也会较小。但是，为了得到f f l 结构，还必须控制好加热温度。本文通过在转变温度( 1 3 2 0 c ) 以1 2 0 “ y c s 的加热速率得到的f l 晶粒尺寸为1 5 9 r n 。这个过程中的组织转变机 理也在文中进行了讨论。 在组织控制的过程中，我们还发现了一个全新的现象，即在循环热处 理过程中，具有规则的板条状结构的t i a l 基合金在没有外力的条件下也 可以发生剪切变形( s d ) 。f 研究发现，要发生s d ，柱状晶必须和样品的 表面有一个夹角。而且，样品必须加热到单相0 ：相区。随着在循环热处理 过程中样品中柱状晶的逐渐被打碎，s d 的程度也逐渐减弱。如果柱状晶 在进行循环热处理之前就已经被打碎，那么整个过程中就观察不到s d 的 发生。这种现象可能和界面位错的滑移有关。 ，。 关键词t i a l 基合金，显微组织，热处理，细化 h m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n o ft i a l - b a s e d a l l o y s d u r i n gh e a tt r e a t m e n t a b s t r a c t d u et ot h e i ro u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s ，s u c ha sh i 曲s p e c i f i cs t r e n g t ha n dg o o do x i d a t i o n r e s i s t a n c e ，t i a l b a s e da l l o y s h a v ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s i n a e r o s p a c e ，a u t o m o b i l e a n d t u r b i n ep o w e rg e n e r a t i o ni n d u s t r i e s i th a sb e e nw e l le s t a b l i s h e d t h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e s ea l l o y sa r es e n s i t i v et om i c r o s t r u c t u r e s f o re x a m p l e ，ac o a r s ef u l l y l a m e l l a r ( f l ) s 协l c t t i r ee x h i b i t sg o o df f a c t u r et o u g h n e s sb u tu s u a l l yp o o rt e n s i l ed u c t i l i t y , w h e r e a saf i n ed u p l e xs t r u c t u r eh a sl o w t o u g h n e s s b u tg o o dd u c t i l i t y s i n c eaf i n ef u l l yl a m e l l a r f l ) s t r u c t u r eh a sg o o db a l a n c e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， v a r i o u sm e t h o d si n c l u d i n gs u p e 埔r a n s u sp r o c e s s i n g ，a n dt h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t sh a v e b e e ne x e r c i s e dt oo b t a i ns u c ham i c r o s t r u c t u r ed u r i n gt h ep a s td e c a d e n e v e r t h e l e s s ，a l m o s t a 1 1o ft h e mi n v o l v e dm e c h a n i c a lt r e a t m e n ta t h i g ht e m p e r a t u r ea n d e v e ni nv a c u u m t h e r e f o r e ，s i g n i f i c a n td i f f i c u l t yi ne x p e r i m e n t a t i o na n d t h u sc o n s i d e r a b l ec o s ti np r o d u c t i o n w e r ee n c o t m t e r e dw i t ht h e s ec o n v c n t i o n a im e t h o d s r e c e n t l y , w ed e m o n s t r a t e dt h a tt h eg r a i ns i z eo f t i a la l l o y sc o u l db er e f i n e db yc y c l i c h e a tt r e a t m e n t ( c h t ) w i t h o u ti m p o s i t i o no ft h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n ts u c ha sh o t e x t r u s i o n sa n d o rf o r g i n ga sp r a c t i c e di nm a n yp r e v i o u ss t u d i e s t h i sr o u t ei sb a s e do nt h e f a c tt h a tw h e nav a l l o yi sh e a t e dt ot h es i n g l e - p h a s ear e g i o nf o l l o w e db yb e i n g f a s tc o o l e d ， m a s s i v et r a n s f o r m a t i o n ( m dt a k e sp l a c e t h et r a n s f o r m a t i o np r o d u c t ，i e ，i sf i n ew h e n c o m p a r e d 谢t l lt h es t a r t i n gs t r u c t u r e ，a n d ，a sam e t a s t a b l ep h a s e ，i ti sa ni d e a li n t e r m e d i a t e s t r u c t u r ef o rf a l r t h e rt r e a t m e n t s e v e r a lf a c t o r sc o n t r o l l i n gt h em tw e r ed i s c u s s e dt h e ni nt h i st h e s i s d i f f e r e n tc o o l i n g r a t e sa l w a v sl e a dt od i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e sa n d ar e l a t i v e l yh i g hc o o l i n gr a t ei sn e e d e d f o r t h eo c c u r r e n c eo fm t h o w e v e r , 如x t h e ri n c r e a s i n gc o o l i n g r a t ew i l lr e s u l ti nad e c r e a s eo f t h ev o l u m ep r o p o m o no f 丫m d u et op a r t i c i p a t i o no fo c j o c 2t r a n s f o r m a t i o n - s o l u t i o nt r e a t i n g t e m p e ：r a t u r ea n d t i m es h o u l db eh i g ha n dl o n ge n o u g hf o rt h ef o r m a t i o no fy m ，b u tt o ol o n g t i m eh o l d i n ga th i g ht e m p e r a t u r e ，w h i c hp r o m o t e sg r a i ng r o w t h , w o u l d r e s u l ti nf e w e r e q u i v a l e n t l y m ti sm o r ee a s i l yo b s e r v e d i nt h o s ea l l o y sw i t haf i n e ri n i t i a lm i c r o s t r u c t u r e t h a ni nt h o s ew i t ha c o a r s eo n e 。f o rt h ea l l o y sw i t ha b o v e4 6 a 1 ，m t i sg e n e r a l l yo b s e r v e d a n dt h ed i f f i c u l t yi na c h i e v i n gm t i nt h e4 6 a 1a l l o yc a nb eo v e r c o m et h r o u g ha l l o y i n g i t s h o u l db en o t e dt h a tn of a c t o r sd i s c u s s e di nt h i ss t u d ya r ei n d e p e n d e n t ；t h e y a r eo f t e n i n t e r - r e l a t e d d u r i n gt h es y s t e m a t i cr e s e a r c ho nm e m t i tw a sf o u n dt h a tt h et h e r m a le x p o s u r ea t e l e v a t e dt e m p e r a t u r ew o u l dr e s u l ti na 1e v a p o r a t i o na n dh e n c em i c r o s t r u c t u r ev a r i a t i o n i t w a sf o u n dt h a tt h et h i c k n e s so f t h ea 1 d e p l e t e dl a y e ri sa f f e c t e db y f a c t o r si n c l u d i n gh o l d i n g t i m e ，t e m p e r a t u r ea n de n v k o n r n e n t g e n e r a l l y , l o n g e rh o l d i n gt i m e ，h i g h e rt e m p e r a t u r e a n d e x p o s u r ei na i rl e a dt oat h i c k e rl a y e r d u e t ot h ea 1 - l o s s , d i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e sd e v e l o p i nt h eo u t e rl a y e ra n dt h ei n t e r i o ro ft h em a t e r i a l i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h i sm i c r o s t r u c t u r e v a r i a t i o nm i g h th a v ea ni n f l u e n c eo nt h eo v e r a l lp r o p e a i e s ，h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f t h e a l l o y i no r d e rt ot r a n s f o r mt h ey mi n t oaf ls t r u c t u r e ，m a n yf a c t o r s ，s u c ha st h et e m p e r a t u r e ， t h eh e a t i n gr a t e ，a n ds oo n ，s h o u l db ea p p r o p r i a t e l yc o n t r o l l e d af a s t e rh e a t i n gr a t el e a d st o af i n e rf ls t r u c t u r eu n d e ro t h e ri d e n t i c a lc o n d i t i o n s h o w e v e r ，t oh a v eaf i n eg r a i ns i z e ，t h e h e a t i n gt e m p e r a t u r es h o u l da l s ob es u f f i c i e n t l yl o w i ti sp a r t i c u l a r l ys h o w n t h a ta tah e a t i n g r a t eo f1 2 0 c sa n dat e m p e r a t u r eo f t a ( 1 3 2 0 c ) ，af ls t r u c t u r ew i t hac o l o n ys i z eo f1 5 炉 w a so b t a i n e d t h em e c h a n i s mo f t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o nw a sa l s od i s c u s s e d d u r i n g t h em i c r o s t m c t u r ec o n t r o l ，an e w p h e n o m e n o n ，i e ，s h e a rd e f o r m a t i o n ( s d ) o f a t i a la l l o yw i t l la na l i g n e dl a m e l l a rs t r u c t u r ew a so b s e r v e di nt h ep r e s e n tc h t e x p e r i m e n t s i tw a sf o u n dt h a tf o rs u c hd e f o r m a t i o nt oo c c u r , t h ea l i g n e ds t r u c t u r em u s tb ei n c l i n e dt ot h e s p e c i m e ns i d ea n dh e a t e dt o t h es i n g l e - p h a s ear e g i o n a st h ea l i g n m e n to ft h el a m e l l a r s t r u c t u r ew a sb r o k e ng r a d u a l l yd u r i n gc h t , s ds l o w e dd o w n w h e nt h ec o l u m n a rg r a i n s w e r eb r o k e nt oe q u i - a x e dc o l o n i e sc o m p l e t e l y , n os do c c u r r e da ta 1 1 i tw a s s u g g e s t e d t h a t t h es d m i g h t b er e l a t e dt ot h eg l i d eo fi n t e r f a c i a ld i s l o c a t i o n si nt h i sa l l o y k e y w o r d st i a l b a s e d a l l o y s ，m i c r o s t r u c t u r e ，h e a tt r e a t m e n t ，r e f i n e m e n t i i 占壅奎望盔兰塑主堂垡堡皇二翌二童堕羔l - 1 背景 第一章绪 论 在传统的汽车和航空工业领域里，涡轮叶片或者增压器涡轮都是由镍基超合金制 造的，这种材料的密度约为8 9 c m 3 。随着工业和经济的发展，人们越来越注重节省 燃料，提高操作效率和减少废气的排放。这些要求也促进了人们对轻质高温结构材料 的广泛研究。先进陶瓷曾经也被应用于制造增压器涡轮，例如s i 3 n 4 ，其密度仅为 3 2 9 c m 3 1 。但是，陶瓷的先天不足，诸如脆性以及经不起外界物体的冲击等限制了 它作为工程材料的广泛应用。 在这种背景下，丫- t i a l 基合金作为最有希望的下一代高温结构材料而重新受到极 大的关注。这主要是因为这类合金具有很高的比强度、高的弹性模量、好的抗蠕变 性能以及良好的抗氧化性能 2 】。在这里，之所以提到“重新”二字是因为早在二十世纪 5 0 年代就对这类合金进行了初步研究。首次对二元t i a i 铸造合金的性能测试表明， 这类材料具有很好的高温性能【3 】。然而，由于当时不能解决此类金属间化合物的本 征脆性，该材料并没有很强的实用背景。 t a b l eic o m p a r i s o no f t h e p r o p e r t i e so f t i a l b a s e da l l o y sw i t i lt h o s eo f n i c k l e - b a s e d s u p e r a l l o y s 【4 】 p r o p e r t y ta l l o y s n i c h e b a s e d s u p e r a l l o y s d e n s i t y ( g ，c m b y o u n g sm o d u l u s ( g p a ) d u c t i l i t y ( ) y i e l ds t r e n g t h ( m p a ) t h e r m a l c o n d u c t i v i t y ( w m k ) p h a s e s t a b i l i t yl i m i t ( ) c r e e pl i m i t ( ) 3 8 - 4 0 1 6 0 - 1 7 5 l 一3 4 0 0 6 5 0 2 2 1 4 4 0 9 0 0 o x i d a t i o nl i m i t ( ) 9 0 01 0 9 0 踮猫 ” m “ 蝴 啪 1 l l r 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 与镍基超合金相比，t t a i 基合金的密度仅为它的一半，而且具有优秀的高温性 能。具体性能的比较见表1 4 】。 随着研究与开发的进展，研究者设计了许多t i a l 合金。其中最受关注的要数所 谓的双相”合金，其成分位于豇- a 】相图的中间部分( 图1 ) 。实际应用中，合金中 往往添加了第三种或者第四种合金元素。近年来研制的合金系列见表2 【5 】。在最近 出现的双相y 基合金中，一般含4 6 - - 4 8 a 1 、大约2 n b 、约2 其它的元素( 本文 中的百分比均指原子百分比) ，例如c r , m o ，t a , w ，b ，s i ，c 等。 a ic o n c e n t r a t i o n ( a t ) f i g i c e n t r a lp a r to f t h e t i a ib i n a r y p h a s ed i a g r a m 【6 2 国内外研究进展 作为种新的具有很强吸引力的新材料，t i a i 基合金吸引了来自国内外航空航 天、汽车以及电力工业等领域的极大关注。 中国国内有不止1 0 家的高校和研究所正在进行有序金属间化合物的研究，其中 主要研究的对象也是t i a i 合金。 目前， 国家自然科学基金重大项目t t 高性能金属 间化合物结构材料的关键基础问题研究受到了来自国家自然科学基金委和国家先进 材料委员会共6 0 0 万的资助，涉及的科研部门很多。如今，有许多令人振奋的科研 成果公布于世，其中有特色的包括超塑性【7 】， 高n b 合金【8 】，晶粒细化【9 ，1 0 和 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 蠕变 i l 】等方面的研究成果。 t a b l e2 t h ef i r s ta n ds e c o n dg e n e r a t i o n so f 7 t i 灿a l l o y s 【5 】 g e n e r a t i o n c o m d o s i t i o n ( a t 1p r o c e s s i n g 1 s tt i - 4 8 a 1 - i v - 0 3 c w r o u g h t p m c a s t 2 n ds t a n d a r d a l l o v s t i 一4 7 刖- 2 ( c r m n ) 一2 n b c a s t a l l o y m o d i f i e da l l o y s t i - 4 7 a l - 2 m n - 孙晒一7 v 0 1 t i b 2 c a s tx d a l l o y n 一“5 - 4 7 ) a 1 2 m n - 2 n b - 0 8 v o l c a s tx d a l l o y t i b 2 t i - 4 7 a l - 1 6 f e 一1 4 v 2 4 bc a s t a l l o y t i 4 7 a l - 3 5o 妯，c r , m n ) 如8 ，s i ) c a s ta l l o y r i - 47 _ a j 一2 w o 5 s i c a s t a l l o y t i 一4 6 a l - 4 n b 1 w w r o u g h ta l l o y 在国外，t i a i 基合金的研究主要集中在美国，德国和日本的一些研究机构，例 如美国能源部，空气动力材料实验室，p r a t t & w h i t n e y ，劳伦斯l i v e r m o r e 国家实验 室，橡树岭国家实验室， g k s s 材料中心，京都大学等等。 国外研究的一个鲜明 的特色是，除了基础研究以外， 同时进行的应用研究也有了很大的发展。 2 1 合金设计 到今天，研究人员设计了许多t i a l 基合金 5 ，1 2 ，1 3 】，发现a l 的含量对这类合 金的机械性能影响很大。同时，人们还发现添加其它合金元素能够极大地改善合金的 综合性能。一般来说， 添加高熔点的金属元素能够提高材料的高温强度，添加一 些非金属元素( 例如c ，n ，s i ) 也能够有效地提高强度。根据目前积累的一些资料， 添加的元素根据其作用可以大致分类如下： 可以提高强度的元素：c r , m t l ，v m o ，n b ，h z r w ，b ，cr 1 4 1 ； 可以改善塑性的元素：i v m ，v ，c rf 1 5 ，1 6 1 ； 可以提高抗氧化性能的元素：n b ，m o ，t a , w 只s i 3 ，1 7 1 9 】： 可以减少蠕变速率的元素：n b ，1 w ，s i 【3 ，2 0 ，2 1 1 。 3 圭塑窒望盔兰堡主堂垡垒苎 箜= 童笙兰l 2 2 变形机制 经观测，在单相1 认l 合金中的变形机制主要为位错滑移和有序孪晶变形等 2 2 3 。 而在双相合金中，由于y 相和a 2 相的晶格的不同，在界面上存在大量的错排位错和错 配位错。这些位错的存在对于其变形有着重要的作用。它促进了可动位错和变形孪 晶的均匀产生【2 3 】。 日本京都大学的y a m a g u c h i 课题组的研究工作主要集中在所谓的p s t 晶体。研 究表明，p s t 晶体的变形依赖于层片方向与受力方向之间的夹角 2 4 ，2 5 。最近，所 谓的双p s t 晶体变形的研究工作也在进行之中 2 6 ，2 7 。 抗蠕变能力是对t im 基合金的应用具有重要意义的性能。通常说来， 组织和 合金元素对合金的蠕变行为具有极大的影响【2 8 】。研究表明， 这类合金的蠕变行 为受到0 c 2 r 相界面上位错的运动所控制，一般是通过台阶机制来实现的 2 9 】。 经过广泛而深入的研究，无论是这类合金的变形及蠕变性能，还是组织性能关 系是研究都得到了极大的深入【3 0 】。 2 3t i a i 基合金的应用 由于t i a l 基合金具有很好的比强度，最有希望在航空领域得到广泛的应用。例 如，高压压缩器，民用低压涡轮叶片等曾是考虑中t i a l 基合金最重要的应用领域 【3 1 。 汽车制造商正在为t 合金作为涡轮增压器转子和排气阀而努力。 最近，有报道 称t i a l 基合金制造的涡轮增压器转予已经使用在一类特殊设计的商用车上 3 2 1 。 3 双相t i a i 合金的相结构和组织 双相t i a i 基合金的室温组织为y 相( t i m ) 和a 2 相( n 3 a i ) ，它们的相对含量由铝的 含量来决定。y 相具有面心正方( f c 0 的l 1 0 结构，而啦相具有六方的d 0 1 9 结构这两 种结构的示意图如图2 所示。如图2 中的阴影所示，t 相的密排面为 1 l l 而o l 2 相的密 排面为 o 0 0 1 ) 。尽管c i , 2 相中密排方向都是相同的，但是，在y 相中是不尽相同的，这 是因为f c t 结构并非完全对称，而是具有一个轴比c a 为1 0 2 。 当一种双相t i a i 基合金从液相区凝固下来时，其平衡转变是这样的： 4 占鳖奎垄盔堂堡主堂堡丝塞一苎二皇兰l _ 二! l l l + q j 仪j 州1 呻睨叶 ( a ) f i g 2 ，c r y s t a ls 眦t u r eo f t h e ( a ) yp h a s e ( l l ot y p e ) a n d ( b ) o 2 p h a s e ( d 0 1 9t y p e ) 在从口相到戗竹相区的固态相变中，t 板条在原来的a 晶粒的晶界处或者是在那些 具有高密度缺陷的位置行核，然后向晶粒内部生长。在这个过程中， 两相遵循如 下的位向关系： 1 1 1 ) y 0 0 0 1 a 由于0 l 相仅仅只有一个最密排面，因此，一个c 晶粒内所有的y 板条都具有一个方 向。在接下来冷却到室温的过程中， 仅相将经过有序化转变为c 【2 相。整个凝固过 程后得到的是铸造全层状( f l ) 结构，它由含有密排层片的晶团所构成。这些层片大多 数为y 相，其中点缀着少量的i x 2 相。一个晶粒内的啦板条都具有相同的位向，其惯 习面( 0 0 0 1 ) c t 2 与板条的界面相平行并沿着密排方向 0 c 2 排列。四个不同方向的y 板条有一个共同的密排面 i i i ) ，与( 0 0 0 1 ) a 2 平行，并且相互间成6 0 ，1 2 0 和1 8 0 度。 其它两种典型的组织为近7 组织( n g ) 和双态( d p ) ，它们可以分别通过在共析温度 ( t c ) 或者在a 转变温度( l ) 与t e 之间的温度进行热处理来得到。 粗大的铸造f l 结构具有很好的断裂韧性，但是其晶粒粗大( 一般大于5 0 0 i _ t m ) ，而 且室温塑性不足。 而另一方面，d p 结构一般晶粒细小( 小于5 0 i _ u n ) ，它具有足够的拉 伸塑性但是断裂韧性不足。更重要的是，d p 结构与f l 相比，其高温强度和抗蠕变性 能较差 2 8 ，3 3 ，3 4 】。表3 给出了t i - 4 8 a i 一2 c r - 2 n b 锻造合金在具有两种不同典型组 s 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 织时的性能比较 4 】。 根据h a i l p e t c h 关系，一种材料如果具有比较细的晶粒，在其他条件相同下它的 强度比粗晶粒的材料要高。对于具有f l 结构的t t a l 基合金雨言，h - p 关系同样适用。 如图3 所示，图中给出了一种瓢- 4 8 赳2 c r 合金晶粒尺寸和机械性能之间的关系 3 5 。 很明显，无论是延性还是强度都与晶粒尺寸有很大的关系。同时，t i a i 基合金的机 械性能与片层之间的距离有很大的关系。一般而言，片层间距越细，屈服强度就 越高。屈服强度和片层间距之间也大致符合h p 关系 3 6 ，3 7 。下式给出了屈服强 度和晶粒尺寸( d ) 以及片层间距( 九) 之间关系的综合表达式 2 】： d y = a q + k d | d 1 | 1 十k i f 笼f l 根据这些关系式，如果全层状结构同时具有细小的晶粒尺寸，即细小全层状结构 ( f f l ) ，那么它应当具有良好的综合性能 2 】。 t a b l e3m i c r o s t r u c t u r a le f f e c t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a w r o u g h t t i - 4 8 a i - 2 c r - 2 n ba l l o y 【4 m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t e s t d u p i e x 妇黜 t e m p e r a t u r es t r u c t u r e 。”“ s t r u c t u r e p l a s t i ce l o n g a t i o n ( ) y i e l ds t r e n g t h ( m p a ) t o u g h n e s s ( m p am 1 尼) f a t i g u es t r e n g t hf o r 1 0 7s t r e s s c y c l e s ( m p a ) c r e e pr a t ea t1 0 5m p a 1 ) r t ( r o o m t e m p e r a t u r e ) 7 6 0 r t 7 6 0 r t 7 6 0 7 6 0 7 6 0 3 1 5 0 o 4 8 0 0 4 2 8 4 5 5 4 0 64 0 3 1 4 3 2 8 3 1 9 2 1 7 2 2 0 7 3 3 1 0 。5 4 o 1 0 7 c r e e pt i m et oo 2 s t r a i n 7 6 0 c 2 58 0 0 - _ _ h - 一一 6 圭查奎塑盔兰堡主兰垡堡奎 一堡i 二! 二堕! l 广( - r t e l o n p t i o n i n c r c “c s w i t hd e e c e a s i n g c o l o n ys i z e 慝 一、。 i ： 三惺三 f i g 3v a r i a t i o n o f r o o m t e m p e r a t u r ee l o n g a t i o n a n d s t r e n g t hw i t hc o l o n ys i z e ( a ) e l o n g a t i o n ，( b ) s t r e n g t h 3 5 】 4 获得f f l 的方法 在过去的研究工作中，很多工作集中在如何优化全层状结构以获得细小的晶粒 尺寸和片层距离。文献中公开报道的细化方法见表4 。 t a b l e4 m e t h o d sf o r p r o d u c i n gf i n e “l y l a m e l l a rm i c r o s t r u c t u r e s r e f i n e m e n to f l a m e l l a rs i z er e f i n e m e n to f l a m e l l a r s p a c i n g 1 s o l i d i f i c a t i o n 、i t i lg r a i nr e f i n e r ( i e b ，c ，1 h o te x t r u s i o n a t t l 3 6 】 c e ) 【1 0 ，3 8 ，3 9 】2 r a p i dc o o l i n g o fc l 2 r h e o c a s t i n g 【4 0 - 4 2 】 p h a s e 3 7 】 3 s u p e r t r a n s a sp r o c e s s i n g ( i ，e h o t 3 a g i n go f m e t a s t a b l e p h a s e e x t r u s i o na n d f o r g i n go f p o w d e r s a n d i n g o t sa tt a t l o w t 【4 7 】 t 0 4 3 ，4 4 】4 wa n db a d d i t i o n 【4 8 】 4 t h e r m o m e c h a n i c a lt r e a t m e n t ( i e f o r g i n gp l u sh e a tt r e a t m e n t ) w i t l lo rw i t h o u tb p h a s e 4 5 ，4 6 5 r a p i dh e a tt r e a t m e n t 【9 】 7 圭塑窒望查兰堡主兰垒鲨奎二塞二童堕笙一 尽管组织优化看起来十分困难而且现在并没有达到完美的境界，近年来的研究 工作还是取得了很大的进展。例如，通过热机械处理，人们已经能够将铸态的t i a i 合金组织转化为细小的全层状结构，同时具有良好的综合性能，其屈服强度高达 1 0 0 0 m p a ，延伸率达到5 3 6 ，3 7 。同时，通过将片层间距能够细化到纳米级别，合 金的机械性能可以得到很大的改善【4 7 】。 本研究工作着重于研究如何细化晶粒尺寸。近年来的一些具有代表意义的研究 成果总结于表5 。 尽管热机械处理能够极大地改善t i a i 基合金的机械性能，但是，必须注意的是， 这些处理方法一般都涉及到高温和真空的条件。 因此，成本高是这类方法在t i a l 合 金应用的主要障碍之一。通常，制造合金最经济的方法是铸造。 因此，研究如何将 粗大的铸态t i a i 组织转化为细小的全层状结构是十分重要的。 t a b l e5p r o c e s s i n go f f i n ef u l l yl a m e u a rm i c r o s t r u c t u r c s 8 土壅窒望查兰堡圭兰垡鲨苎 一一箜二童箜羔l t e m p t i m e f i g 4h e a t t r e a t m e n tr o u t ed e s i g n e dt og e taf f ls t r u c t u r e 5 本论文的主要内容 本工艺制度是基于这样的一个事实：当t i a i 合金在单相伐相区进行处理并快速冷 却后，要发生块型转变( m t ) 这种相变的产物，即丫m ，相对于起始的铸态组织而言已经 相当细小，而且，作为一种非平衡组织，它是进一步处理的理想中间组织。在本文里， 详细讨论了控制m t 的诸多影响因素。在系统研究块型转变的过程中，我们发现在高 温条件下的暴露可能导致合金表面a l 元素的蒸发，进而导致样品表层和内部组织的 区别。为了将转化为f l 结构，很多因素需要得到合理的控制，例如加热温度、升 温速率等等。转变的机制也在本文中有所讨论。在组织控制的实验中，我们发现了 一种新的现象，即没有外加应力条件下的宏观剪切变形，并讨论了控制这种剪切变形 产生的原因和影响因素。 为了获取f f l 组织，最好的方法之一是通过热处理。典型的热处理制度包括单 相a 相区的固溶处理，然后进行循环热处理，其工艺曲线见图4 。 参考文献 1 y n i s h i g a m a e ta 1 ，i n “h i g ht e m p e r a t u r ea l u m i n i d e sa n d i n t e r m e t a l l i c s ”，( e d s ) s h w h a n g ，c tl i u ，d d o p e a n d j o s t i e g l e r , t m s ，w a r r e n d a l e ，p a ，19 8 9 ，p 5 5 7 2 m y a m a g u c h i ，h h a u i a n dk i t o ，a c t am a t e r 4 8 ，3 0 7 ( 2 0 0 0 ) 3 j b m c a n d r e e wa n dh d k e s s l e r , j o m8 ，1 3 4 8 ( 1 9 5 6 ) 4 s c h 眦ga i l dj c c h e s n u t t ，i n “i n t e r m e t a l l i sc o m p o u n d v 0 1 2 ，p r a c t i c e ，( e d s ) j - h w i s t b r o o ka n dr l f l e i