（材料学专业论文）tial基合金显微组织控制及超塑性研究.pdf

摘要 t i a l 合金作为一种新型的高温结构材料，由于具有低密度、较高的弹性模量 及良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化能力而被广泛应用于航天、汽车及动力工业。 目前被广泛认同的是币舢基合金的显微组织很大程度上决定其机械性能。例如， 粗大的全层状组织( f l ) 具有良好的断裂韧性，但是其拉伸延性较差。然而，细 晶双态组织( d p ) 拉伸延性优良，但断裂韧性较差。 由于细晶全层状组织( f f l ) 具有优良的综合性能，在过去近十年的研究中广 泛采用了诸如热机械处理等方法来获得细晶的全层状组织。然而，此类传统的加 工工艺都包括在高温甚至在真空条件下的机械处理，因此这类传统的加工工艺将 需要难以实现的实验条件和昂贵的生产成本。 前人所研究的铸态t i a i 基合金由于遵循a 凝固路线而具有粗大的柱状晶组织， 与此同时本文报道的是一种通过b 凝固而获得的细晶铸态起始组织。实验表明仅通 过一步处理就可以将铸态起始组织转变成为包括细晶全层状组织的各类不同显微 组织。这一工艺将促进新一代t i a i 合金的开发，并有利于精密铸造和精密成型部 件生产中的质量控制和成本降低。 在铸态合金t i 4 8 a j 6 c r - 2 n b 0 1 5 b ( a c ) 中由于冷却速率的不同合金的显微 组织存在很大的差异。较小的样品在快速冷却的条件下，由于p t 的直接转变 得到了一种p d 的细晶双相组织。与此同时在较大的样品中、慢速冷却的条件下， 由于l + b d 包晶反应的发生形成了一种典型的粗大柱状晶组织。由于起始组织 的不同热处理后的显微组织也存在显著的差异。研究表明通过控制凝固条件以及 随后的热处理，为控制特定应用场合n a i 合金的显微组织提供了可能。 在8 0 0 0 c 到l o o o o c 、应变速率为lx1 0 一s 1 的条件下研究了合金 t i 4 8 a 1 8 c r - 2 n b 0 1 5 b ( a t ) 的超塑性行为。结果表明该合金即使在铸态条件下仍 表现出良好的超塑性。测试中在8 5 0 0 c 得到了6 2 8 的断后延伸率。实验中获得的 优异的超塑性很可能是因为在凝固时形成的含有亚稳b 相的细晶组织所造成的。 关键词：钛铝基合金； 显微组织；热处理； 细晶全层状组织：凝固特性 机械性能。 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 g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n dg o o d o x i d a t i o nr e s i s t a n c e ，n a l b a s e d a l l o y s h a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si na e r o s p a c e ， a u t o m o b i l ea n dt 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 dt h a tt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s ea l l o y sa r cs 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 ，a c o a r s ef u l l yl a m e l l a r ( f l ) s t r u c t u r ee x h i b i t sg o o df r a c t u r et o u g h n e s sb u tu s u a l l yp o o r t 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 wt o u g h n e s sb u td e c e n td 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 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 r t 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 s h a v eb 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 e d 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 ta l lo f t 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 th i g ht e m p e r a t u r ea n d e v e ni n v a c u u n l 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 y i n e x p e r i m e n t a t i o n a n dt h u s c o n s i d e r a b l ec o s ti np r o d u c t i o nw e r ee n c o u n t e r e dw i t ht h e s ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s w h i l em o s tp r e v i o u sc a s tt i a la l l o y sc o n s i s t e do fal a r g e g r a i n e dc o l u m n a r m i c r o s t r u c t u r er e s u l t i n gf r o mas o l i d i f i c a t i o n ，t h ep r e s e n ts t u d yr e p o r t saf i n e g r a i n e d e q u i a x i e do n ei n d u c e df r o ms o l i d i f i c a t i o nc o n t r 0 1 i ti ss h o w nt h a ts u c h af i n e m i c r o s t r u c t u r ec a nb ec o n v e r t e dt od i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e si n c l u d i n gaf i n ef u l l y l a m e l l a rs t r u c t u r eb yj u s to n eh e a tt r e a t m e n t t h ep r e s e n ta p p r o a c hm a yl e a dt ot h e d e v e l o p m e n to fn o v e la l l o ys y s t e m st h a ta r eb e n e f i c i a lf o rq u a l i t yc o n t r o la n dc o s t r e d u c t i o no f p r e c i s i o n c a s t i n ga n dp r e c i s i o nf o r m i n go f e n g i n e e r i n gc o m p o n e n t s l a r g ed i f f e r e n c e si nm i c r o s t r u c t u r ew e r eo b s e r v e di nat i 4 8 a l - 6 c r - 2 n b 一0 1 5 b ( a t ) a l l o ys o l i d i f i e du n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e s u n d e rf a s t e rc o o l i n g ，af i n e m i c r o s t r u e t u r ec o n s i s t i n go f 7a n dpp h a s e sf o r m e dv i ap td i r e c tt r a n s f o r m a t i o n ，a n d u n d e rs l o wc o o l i n g ，al a r g e g r a i n e dc o l u m n a rm i c r o s t r u c t u r ef o r m e da st h e l + b a p e r i t e c t i cr e a c t i o nt o o kp l a c e h e a tt r e a t m e n ta f t e rs o l i d i f i c a t i o nl e dt od i f f e r e n t m i c r o s t r u c t u r e sf o rd i f f e r e n ti n i t i a lm i c r o s t r u c t u r e s i ti ss h o w nt h a tb yc o n t r o l l i n gt h e s o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o ra n ds u b s e q u e n th e a tt r e a t m e n t ，i ti s p o s s i b l et o c o n t r o lt h e m i c r o s t r u c t u r ei nn a la l l o y sf o ras p e c i f i ca p p l i c a t i o n 1 s u p e r p l a s t i cb e h a v i o ro fa t i 一4 8 a 1 - 8 c r - 2 n b 一0 15 b ( a t ) a l l o yw a si n v e s t i g a t e di n at e m p e r a t u r er a n g eb e t w e e n8 0 0 。ca n d1 0 0 0 0 ca n da tas t r a i nr a t eo fl x l 酽s 1 t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n ta l l o yp o s s e s s e sv e r yg o o ds u p e r p l a s t i c i t ye v e ni ni t sa s - c a s t s t a t e at e n s i l ee l o n g a t i o no f6 2 8 w a so b t a i n e da t8 5 0 0 c t h eo b s e r v e ds u p e r p l a s t i c b e h a v i o rc a l lb ee x p l a i n e db yt h ef o r m a t i o no faf i n em i c r o s t r u c t u r ec o n t a i n i n ga m e t a s t a b l e1 3p h a s ed u r i n gs o l i d i f i c a t i o n x 哪w o r d s ：t l mb a s e da l l o y s ；m i c r o s t r u c u t r e ；h e a tt r e a t m e n t ；f i n ef u l l yl a m e l l a r s t r u c t u r e ；s o l i d i f i c a t i o nb e h a v i o r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i 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，均已在文中以明确方式 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：亏舀 日期：触年z 月兹日 d 式 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。 保密留，在。蔓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“”) 学位论文作者签名：军臣 夏久指导教师签名衫辔友 _ b 期：1 詹理年月穷曰舀期：年月日 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 随着汽车和航天、航空工业的迅猛发展，对其零部件材料的性能有越来越高的要求特 别是涡轮发动机部件，如涡轮增压转子及叶片人们希望能找到一种性能优异的材料，使发 动机系统有更高的工作效率，有更稳定的工作性能和更长的使用寿命。传统材料镍基超合金 由于密度较大卜8 薛m 越来越成为其应用上的一个主要障碍，而陶瓷材科由于比重小，使用 温度高，已经开始作为发动机材料而被工业界所重视。如s i 3 n 4 ( 3 2 9 c m 3 ) ，但是由于陶瓷 材料脆、易损坏，这限制了它的广泛使用。 表1 1 钛铝化舍物，钛合金及传统超合金性能对比 t a b l el 1 p r o p e r t i e so f t i t a n i u ma l u m i n i d e s t i t a n i u m b a s ec o n v e n t i o n a la l l o y sa n d s u p e r a l l o y s p m ，e n t at 认! ：h ”7 t b a ? ”。啦t i - b a s ea l l o y s superalloysalloysa l l o y s 正是在这样一种工业应用背景下t i a i 基金属问化合物由于其优异的性能而日益为汽 车和航天工业所重视。t i a i 合金密度低、熔点高，高温强度及模量大、抗氧化性能及抗吸 氢能力强，且有着优异的蠕变性能【1 1 i 】，而这些都是新一代发动机材料所要求的。 表1 - 1 为t i a i 基合金、 r i s a l 基合金、t 基合金和超合金一些基本性能的比较 1 ，3 ，4 】。 从表中可以看出，t t a i 基合金的比重与钛基合金差不多。为镍基超合金的一半左右，但高 温性能较钛基合金有较大的提高，基本达到或超过了超合金的技术指标，而且可以发现其中 丫t i a l 基合金的高温性能要比0 2 t h a i 合金好。因l l t y , - t i a l 基合金逐渐成为高温结构材料用 第一章文献综述 材的首选替代材料，广泛应用于汽车或航空发动机的高温部件，如涡轮盘、叶片和排气阀门 等。归纳起来相对其它高温材料来说。t i m 基合金的主要应用优势在于【1 0 】： ( 1 ) 较之其他常用结构材料的比刚性高，高刚性有利于要求低间隙的部件如箱体、构件以 及支撑件等。同时可以将噪声震动移至较高频率而提高叶片等部件的寿命； ( 2 ) 良好的高温抗蠕变性能，使其可能替换某些镍基高温合金部件，以减轻部件的重量： ( 3 ) 良好的阻燃能力可替换一些昂贵的阻燃设计铰合金。 尽管有着如此众多的优异性能，但是t i a i 基合金的室温塑性较低，可：j n - r 性能较差， 这成为该材料工业应用的最大障碍 1 1 1 目前，急待解决的关键问题是如何通过控制显微 组织和合金成分提高综合力学性能以及如何以比较简单的工艺途径来实现这一目的。因此 t 认l 合金的显微组织与力学性能的关系及合金的工业应用已成为各国科技工作者的研究重 点并对此进行了大量的研究，取得了较大的进展。 p v 2 暑 是 邕 昌 占 a ic o n c e n t r a t i o n ( a t ) 图l - 1 啊a l 合金二元相图 f i g 1 i c e n t r a lp a r to f t h et i a lb i n a r yp h a s ed i a g r a m 目前大家接受的啊a i 二元相图如图1 1 所示，大量的实验研究都是基于如此的二元相 图进行性能研究并发展了三元及四元合金。5 0 年代初期，美国学者首先对t i 5 0 a i 二元合金 的性能进行了研究。结果因为t b m 合金室温性能太差而放弃。十五年后，美国p & w 实验 室的m b l a c k b u m 教授又对近1 0 0 种不同成分的t i a i 合金加以研究，最后发现具有最佳性 2 第一章文献综述 能的合金是：t i - 4 8 a i 一1 v ( o 1 w t c ) ，此即第一代t i a i 合金，但由于各种原因， h a l 合金 并未被作为工程合金而得到发展。直至8 0 年代末，美国g e 公司s c h u a n g 博士发展了第 二代 v i a l 合金( t i - 4 8 a i 2 c r 2 n b ) 并证明了其良好的综合性能才引起了对t i a i 基合金世 界范围内的广泛兴趣。后又经过大量研究发展，现已发展出第三代t i a i 合金见表1 2 。 表1 - 2 、- t l a i 合金发展阶段的划分【3 】 t a b l e1 - 2 d e v e l o p m e n t o f y - t i a la l l o y s 【3 】 g e n e r a t i o n c o m p o s i t i o n ( a l )p r o c e s s i n g 1 s t n 4 8 a l - l v ( o ，1 w t c )f i n e g r a l n e d w r o u g h t p ma l l o y s s t a n d a r da l l o y s 砸( 4 5 4 8 ) a h l 2 ) m - ( o - 4 ) n bf l d u p l e x c a s ta l l o y s m = c l v m n e x p e r i m e n t a l a v r o u g h t p ma l l o y s 2 n d m o d i f i e da l l o y s t i 一( 4 5 - 4 8 ) a i - ( o - 2 ) m ( o 一5 ) x - ( 0 - 2 记f l d u p l e x c a s ta l l o y s x = n b ，t a , w ；z - - - s i ，b ，f e ，n e x p e d m e n t a l w r o u g h ta l l o y s 1 1 ( 4 5 - 4 7 ) a l - 2 n b - 2 m n + ( 0 8 7 ) v 0 1 t i b 2 f i n ef l d u p l e x c a s ta l l o y s w r o u g h ta l l o y s m o d i f i e df o rd e s i g n e dm i c r o s t m c t u r e s d e s i g n e dm i c r o s t r u c u r e w r o u g h ta l l o y s a n ds o l i ds o l u t i o nh a r d e n i n g d u p l e x n l c a s t i n ga l l o y s 币( 4 5 4 7 s ) a 1 - ( 1 2 ) m 一( 2 6 ) n - x ( w , h f , s n ，c ) 1 1 1 i r d - ( o 0 3 ) b c a s ta l l o y s s a m ea sw r o u g h ta l l o y s c a s t i n gd u p l e x ；n e a r l y - l a m e l l a r t i ( 4 6 - 4 7 5 ) a l 一2 c r - y ( n b ，t a ) s a m ea sa b o v e 1 2 国内外的研究进展 早在二十世纪5 0 年代，人们就开始在涡轮发动机转子中使用钛基合金 1 2 】从而喷气 式涡轮发动机的性能获得了较大的提高。钛基合金密度低，作为镍基和铁基超合金的替代材 料，可以大大的降低发动机的重量，从而提高推重比。但是钛基合金 2 可改善热加工能力及超塑性； 4 6 ，4 7 8 将极大地改善抗氧化能力。 4 8 ，4 9 m n 1 - 3 可提高双态合金的塑性。 5 0 v 1 - 3 可提高双态合金的塑性降低抗氧化性。5 1 5 2 n b 极大地改善合金的抗氧化性，提高合金的高温强度及抗蠕变性。4 8 ，3 9 w 明显地改善合金的抗氧化性及抗蠕变性。 4 8 5 3 m o 可提高细晶合金的塑性和强度，改善合金抗氧化性。 5 4 t a 改善合金的抗氧化及抗蠕变性能，但增加合金的热裂敏感性。3 9 ，5 5 0 5 1 改善抗蠕变能力及抗氧化性； s i 5 5 5 7 提高浇铸流动性并降低热裂敏感性。 f e 提高浇铸流动性及热裂敏感性 5 5 0 ，5 可细化晶粒，提高强度及热加工性 b 5 5 。5 8 b 合金化极大地改善铸造性能 c 明显改善抗蠕变性能但对塑性不利 5 1 e r 改变变形亚结构，提高单相y 的塑性 5 9 o 可提高合金的强度及抗蠕变性能，但过量的氧化会降低合金的塑性 n i 增加流动性5 5 p 降低氧化速率 4 第一章文献综述 1 2 1 合金元素对t i m 合金性能的影响 表1 3 详细归纳了各种合金元素在t 认l 合金中的所起的主要作用。 y 合金室温塑性与a l 含量有关。研究表明a l 含量为4 8 的双相合金的塑性最好。合金 化在一定程度上可提高塑性。延伸率最高可达6 。据添加元素的不同，最佳塑性合金的a l 含量约为4 6 , - 4 9 v ，c r ，m n 的添加可提高合金的塑性 1 1l 】。氧对于提高合金的强度及 抗蠕变性能有利但过多的氧化降低合金的塑性。 y - t i a l 合金的抗氧化性一般随a l 含量的增加而提高，但在4 5 - 5 0 ( a t 呦范围内，a 1 含 量的作用不是很明显。许多难熔金属都可显著的改善抗氧化性能，如n b 、w 、m o 等，高剂 量的c r 也可提高合金的抗氧化性能。这些元素提高合金抗氧化性能的主要原因可能是促使 舍金表面形成连续的a 1 2 0 3 膜，取代二元t i a i 合金的疏松的t i 0 2 + a 1 2 0 3 混合膜，其机理还 有待进一步研究。研究还发现添加元素对抗氧化性能的作用还受第四组元的影响。 w 、m o 、n b ，t a 对1 认l 合金来说为固溶强化元素这些元素有利于提高蠕变抗力， 但原因尚不完全清楚。一般说来高熔点元素应该有利于降低扩散速率。降低扩散速率有利 于位错的攀移，是起降低蠕变速率的作用，同时能提高组织稳定性当高熔点元素含量较高 时，往往能提高合金的熔点，也有利于高温强度。另一个重要原因是降低y 相的层错能，从 而使蠕变时位错的攀移变得更为困难。但是这些元素过多时，往往会形成1 3 ( b 2 ) 相，则对 蠕变不利。c s i 、n 都能生成第二相强化能比较有效的提高蠕变强度。添加0 2 o 3 c 的可使合金的蠕变速率降低约一个数量级s i 合金化析出t i 5 ( s i ，a i ) 3 ( 相) 可同时降低t i a i 合金的初始应变和最小蠕变速率，并提高蠕变激活能及蠕变寿命。 1 2 2 变形机制 位错滑移和孪晶变形是单相 h a l 合金的变形机制 6 5 】。在双相7 n a l 合金的变形中由y 和啦板条的不匹配而在晶界上产生的错配位错起主导作用。它是类似与晶界滑移和孪晶变 形的同一种机制【6 6 】。 日本京都大学y a m a g u c h i 教授的课题组致力于多孪晶合成晶体( p o l y s y n t h e t i c a l l y t w i n n e dc r y s t a l s p s t ) 的研究。研究证实这类多孪晶合成晶体( p s t ) 的变形决定于扳条 相对于变形轴的方1 句 6 7 ，6 8 1 。近来，针对双孪晶合成晶体( b i p s t ) 变形机制的研究正在进 行中 6 9 。7 0 。 抗蠕变是t i a i 合金应用中的重要性能之一。通常，合金的显微组织对其蠕变行为有重 要影响 7 1 1 研究表明这种行为是由一种沿a 2 y 界面位错移动的台阶机制所控制的。【7 2 】经过 大量的研究发展，在变形及蠕变机制和性能，显微组织关系的基础问题的理解上已取得巨大 的进展。a p p e l 教授等在合金的变形行为和机制上做了更深入的描述【7 3 】。 5 第一章文献综述 1 2 3 应用 开。 t i a i 合金的应用研究一般在迫切需要减轻重量的航空、航天和汽车用发动机部件上展 航空发动机 早在1 9 9 3 年美国g e 公司已经开始将铸造砸- 4 7 a 1 2 c r 2 n b 合金低压气机片装在 c f 6 8 0 c 2 做1 0 0 0 个模拟飞行周次豹考核，结果t t a ! 合金叶片完整无损。1 9 9 6 年又有n a s a 的a i t p 计划，作g e 一9 0 发动机5 级和6 级低压气机叶片工作主要包括叶片的设计，近 终形叶片制备工艺发展和实际考核，目标要取代原来的r e n e 7 7 叶片，以降低重量。 在压气机叶片台架试车取得良好结果的同时。t i a i 合金作为涡轮盘、支撑架、导梁等 应用试验也在逐步的展开眦l 合金在航空发动内应用的意义和价值最大。 车用废气增压发动机增压涡轮 日本京都大学和川崎重工业株氏会社新开发啊4 7 a 】f e b 合金整体精铸发动机，外径 p 8 0 m m 废气增压涡轮台架实验结果表明，由于以t i a i 合金替代铸造镍基高温合金制作增 压涡轮可以涡轮转子减重5 0 以上，以t i a i 合金涡轮增压的发动机加速响应时间显著减少。 这对改善车用发动机的加速瞬态响应特性，减少燃烧不充分导致废气污染量等具重要意义。 在车用发动机其他部件上的应用主要是进、排气阀门材料减重，以减轻发动机振动噪声污染， 改善发动机工作特性。 1 3 二元相图q h y - t i a l 的形成及基本的固态相交 1 3 1 相圈与相交 图l - 2 是目前普遍接受的啊a l 二元相图的中间部分( 即t t 认l 的部分) 【l l ，1 9 】。人 们很早就开始了对t i a i 相图的研究t i a i 二元相图在1 9 4 9 年首次发表。人们建立了许多不 同的模型计算过t t a l 二元相图 2 0 - 2 3 ，但是直到8 0 年代。相对完整的二元相图才构建起来， 后经过不断的修正前前后后经过了四十多年，才得到了目前被普遍接受二元相图【1 9 】。 从相图可见。t i a i 基合金在相图上存在三种可能的初生相、两个包晶反应( l + d _ o ， l + a 一7 ) 和一个共析反应( 啦十r ) 长期以来。人们对t i a l 合金相交的研究就没有间断过。 随着研究工作的积累，对该二元系合金中存在的各种相变也有了大致的了解。 6 第一章文献综述 疗 ：， ， ； ； 量 ( a ) 8 2 l l o( b ) 图i - 2 t i a i 二元相图的中间部分( a l 含量为3 0 6 0a t ) 及其三种主要相d 2 ( d o l 9 ) ，p ( b 2 ) 和y ( l l o ) 的晶体结构 f i g 1 - 2 c e n t r a lp a r to f t h ep h a s ed i a g r a mo f b i n a r y1 1 a la l l o y sa n dt h ec r y s t a ls t r u c t u r e so f t h e t h r e e m a i n p h a s e s 锄( d 0 1 9 ) 、b ( b 2 ) a n d ? ( l i o ) 1 3 2 凝固过程 从相图的基本知识和实验数据可知，近当量成分的t i a i 合金，如4 4 - - 6 0 ( 原予) a i ， 由液相冷却时可以有三种完全不同的凝固路线：即a 相凝固、b 相凝固和t 相凝固。图l 3 所 示为三种凝固路线下的典型组织【4 】。相对来说，前两者要复杂一些，下面简单介绍一下 【1 - 1 l 】。 目前所研究的多数t i a i 基合金a l 含量为4 6 - 5 0 杈原子) 。由液相冷却时将首先形成 固相q ，a 晶体将择优沿其c 轴生长，扶而形成明显的柱状晶组织。在随后的冷却过程中，y 相板条从柱状晶中析出形成所谓的p 2 板条组织。t 相和a 相之间将保持确定的位向关系 7 第一章文献综述 ( o 0 0 0 口： lii k 和( 1 ( 1l o ) r ( a )( b )( c ) 图1 - 3 铸态t i a i 合金的显微组织( a 卜4 5 a i ，p 相凝固路线；( b 卜, 5 0 a l ，拥凝固路线：( c ) - 5 5 a i 科目凝固路线 f i g 1 - 3 a s - c a s tm i c r o s t r u c t u r a so f t l a ia l l o y s ( a ) 4 5 a i ，bs o l i d i f i c a t i o n ；( ”一5 0 a i ，a s o l i d i f i c a t i o n ；( c ) 一5 5 a i ，ts o l i d i f i c a t i o n 。 f t 相的共析反应分解也是形成a 2 + t 板条组织。由于7 相和a 相之间的位向关系，所有的t 板条将垂直于a 相的c 轴方向( 柱状晶的生长方向) ，最终将得到如图所示的典型各向异性 的铸态组织。该类组织的最大缺点是明显的各向异性特征。因为多数铸造t i a i 部件的形状 较复杂这神柱状晶织构将导致铸件不同部位性能的差异 适当调整合金的成分。可以得到p 相凝固路线。b 相凝固组织的柱状晶特征较之口相凝固 要弱得多。尤其重要的是，沿 方向择优凝固的b 相有三个等同的 方向。进一步的 冷却转变为a 相时两相间满足位向关系： 1 i o p ( o o o d a 和 p 口。 所以，从理论上讲，将可能形成十二种不同取向的a 变体。最终在每个b 晶粒中得到取向完 全不同的板条团，相应的具有这种组织的部件的机械性能比较一致 1 3 3 显徽组织 随着对t i a i 系相图中各相之间关系与相变的认识的逐步深入，通过控制热处理与热加 工的工艺条件，可以得到四种不同的典型组织【l 1 1 】，( i ) 等轴近7 组织( n e a r g a m m a , n g ) ( 2 ) 双态组织( d u p l e x , d p ) ( 3 ) 近层片组织( n e a rl a m e l l a r , n l ) ( 4 ) 全片层组织( f u l l y l a m e l l a r , f l ) 如图i - 9 所示 8 第一章文献综述 ( a ) ( c ) ( b ) 图l - - 4 7 - t i a i 基合金的四种典型组织。( a ) n g ；( b ) d p ；( c ) n l ；( d ) f l f i g ，i - 4 f o u rt y p i c a lm i c r o s t r u c t u r c so f y - t i a ia l l o y s ，( a ) n g ；( b ) d p ；( c ) n l ；( d ) f l ， 获得它们的典型工艺如下。 等轴i 勖组织( n g ) 在刚高于共析反应a j 劬+ y 温度的a + t 两相区处理，得到的近完全等轴的7 晶粒所组成 的组织，通常还有少量的细小硼颗粒分布在y 晶界。同样的组织也可以在更低的温度进行热 处理获得，相应晶粒度较小。 双态组织( d p ) 在t i a i 相图上a + 丫两相区，在体积分数大致相等的温度，进行热处理可得到等轴t 晶粒 和t 旭2 层片团构成的双态组织。由于a 相和y 相在处理温度保温时互相钉扎，晶粒长大速度较 馒，所得到的双态组织的晶粒尺寸一股较小( 1 0 - - 4 0 1 a m ) 。 9 第一章文献综述 近层片组织( n l ) 在刚低于l ( a t l d n s u 5t e m p c 舢r e ) 温度不远的a + t 两相区进行热处理，经过空冷或炉冷 可得到由伽2 层片团和少量分布于层片团间的等轴y 晶粒组成的近全层片组织。由于y 相较少， 对值相长大的钉扎作用减弱。故产生的片层团较大( 2 0 0 - - 5 0 0 p m ) ，7 晶粒一般小于2 0 岫。热 处理温度越远离l 温度，则层片团尺寸越小，但y 晶粒较多，会趋于形成双态组织。 全片层组织( f l ) 在刚高于l 温度进行热处理，高温下的a 单相经炉冷就可以得到完全f a y ，a 2 层片构成的 全片层组织。囡处理温度较高，而且没有t 相的钉扎，a 晶粒长大速度很快，所以全片层组织 一般较为粗大。铸态f l 合金的晶粒尺寸多在6 0 0 - + 8 0 0 弘m ，合理选择热加工及热处理工艺可 以将变形f l 组织的晶粒控制在更小的尺度内。 1 3 4 典型显微组织的力学性能 晶粒度 5 0 0 l x m 的粗大全层状组织有很高的断裂韧性但室温延性较差。与此同时，晶粒 度小于1 0 | m 的细晶双态组织有很好的延性但断裂韧性较差。更重要的是全层状组织的材料 在高温强度和抗蠕变性能方面优于双态组织的材料【7 l ，7 4 ，7 5 】。表3 ，列出了锻造 t i - 4 8 a i - 2 c r - 2 n b 合金的两种不同显微组织的性能对比。 由霍尔- 派奇( h a l l - p e t c h ) 关系可知细晶组织的材料相对于粗大晶粒组织的材料有更 好的强度。这一点对全层状组织的t e a l 合金同样适用。图3 给出了t i - 4 8 a 1 2 c r 合金晶粒 大小与机械性能的关系【7 6 】。图中清楚的显示延伸率和强度很大程度上依赖于晶粒的大小。 全层状组织t i a i 合金的机械性能同样也依赖于层间间距的大小，层间间距小的全层状组织 t i a i 合金具有很高的屈服强度。这一点同样也服从霍尔派奇关系 7 7 ，7 s 。所以晶粒大小( d ) 和层间间距( 九) 共同决定的霍尔派奇关系总结为如下的公式 7 9 】： q = 仃o + 吒d 1 7 2 + 后4 2 7 2 基于这样一种交互的作用，具有细晶全层状组织的t i a i 合金将会呈现一种良好的综合性能 f 7 9 。 lo 第一章文献综述 表l - 4 锻造t i - 4 8 a i - 2 c r - 2 n b 合金的两种不同显微组织的性能对比 8 1 】 t a b l e1 - 4 m 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 tt i - 4 8 a i 一2 c r 2 n b a l l o y 8 1 】 m e c h a n i c a ip mpeni姻thtt e m p e r a t i l ”d u p i e xs t r u c t u n f u l l yi a m e l l 8 。 p l a s t i ce l o n g a t i o n ( 呦 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 勺 f a t i g u es t r e n g t hf o r1 0 7s t r e s sc y c l e s ( m p a ) c r e e pr a t ea t1 0 5m p a ( h 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 0 4 8 0 4 0 6 1 4 3 1 9 2 1 7 2 3 3 1 0 o 4 2 8 4 5 5 4 0 3 2 8 3 2 0 7 4 0 1 0 “ c r e e pt i m et oo 2 s t r a i n ( h ) 7 6 0 2 58 0 0 摹二 图l 一5 室温延伸率及强度随颗粒大小的变化曲线( a ) 延伸率：( b ) 强f i l l 7 6 f i g 1 - 5v a r i a t i o no f r o o mt e m p e m t u me l o n g a t i o na n ds 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 【7 6 】 l l 青96置 lt，d 第一章文献综述 1 4 获取细晶全层状组织 v - t i a i 基合金具有低的密度，高的比强度和比模量，以及良好的抗高温蠕变和抗氧化等 优点，已引起航空、航天和汽车工业的极大重视在前面的章节中。讨论了t i a i 合金显微 组织与力学性能的关系，研究发现具有细晶全层状( f f l ) t i a i 基合金具有优越的综合性能。 f f l 组织在基本保持断裂韧性的前提下，随着晶粒度的细化室温强度和塑性均有较大的提 高。另外，片层间距的减小同样有利于提高f l 组织的屈服强度。 人们从细化晶粒和细化片层间距两个方面对f l 组织的优化进行了广泛而深入的研究。 目前被广泛采用和文献报导的主要细化方法如表i - 5 所示。 表1 5 获取细晶全层状组织的不同途径 t a b l ei 5 m e t h o d sf o rp r o d u c i n gf i n ef u l l yl 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 fl a m e i l a rs i z e r e f i n e m e n to fl a m e l l a rs p a c i n g 1 s o l i d i f i c a t i o nw i t hg r a i nr e f i n e r ( i e b ，c ，c e ) 【1 0 ，3 8 ，3 9 】 1 h o te x t r u s i o na t t t a 【3 6 】 2 r h e o c a s t i n g 【4 0 - 4 2 1 2 r a p i dc o o l i n go f c xp h a s e 【3 7 】 3 s u p e r t r a n s u sp r o c e s s i n g ( i e ，h o te x t r u s i o na n df o r g i n go f 3 a 百n go fm e t a s t a b l eap h a s ea tl o wt p o w d e r sa n di n g o t sa tt t a ) 【4 3 ，4 4 】 【4 7 】 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 t 4 wa n dba d d i t i o n 4 8 】 t r e a t m e n t ) w i t ho rw i t h o u tdp h a s e 4 5 ，4 6 】 5 r a p i dh e a tt r