（材料学专业论文）镍微合金化钛铝合金近等温热加工组织及力学性能研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 镍微合金化钛铝合金近等温热j n - r - 组织及力学性能研究 摘要 r t i a l 合金具有密度小、比强度高和抗氧化性好等优点，是现代航空、航 天和汽车发动机行业最具潜力的高温结构材料之一。热机械处理在改善其室温脆 性方面发挥了主要作用，但由于t i a l 合金铸态组织层片团的力学性能存在强烈的 各向异性，合金热加工性能不理想；另一方面合金变形组织不均匀，也影响了后 续部件的成形和最终性能的可靠性。研究发现，镍微合金化可显著提高钛铝合金 的热加工性，促进了变形钛铝的实用化。本论文实验研究不同变形形式和不同变 形量近等温变形后的组织形貌、在热处理中的组织转变规律及其典型组织的性能， 以作为变形n a l 合金工程应用的基础。 采用光学显微镜、定量显微图像分析仪、扫描电镜和室温拉伸、8 0 0 c 高温拉 伸等手段，研究了镍微合金化钛铝合金t i - 4 6 3 a m o v 一1 0 c r - 0 5 n i ( a t ) 的5 0 、 6 0 和7 0 变形量近等温锻造和7 0 变形量挤压变形组织特征、a 单相区、( + y ) 双相区和近共析温度热处理过程组织转变规律及其组织特征、细化和均匀化 组织的热处理工艺，并测试了所得到典型组织的拉伸性能，在扫描电镜下观察了 拉伸断口的特征，并分析其与性能的关系。 研究5 0 、6 0 和7 0 变形量锻造饼坯和7 0 变形量挤压棒材变形组织宏观 和微观特征发现，变形组织中均包含再结晶等轴晶粒、平直、折曲或弯曲n2 v 层 片结构三种组织形态，难变形区、自由变形区和均匀变形区内变形组织特征存在 差异，这种差异随变形量增大而变小，即增大变形量可以促进动态再结晶使均匀 变形区扩大，提高组织均匀性。定量分析表明，即使在均匀变形区由于动态再结 晶不完全也不均匀，等轴晶粒数量少，等轴晶粒分布在具有不同形态特征的a2 y 层片结构基体上，这种不均匀组织对合金力学性能不利。通过研究挤压棒材横、 纵截面宏观和微观变形组织特征，发现挤压变形组织流线和等轴晶粒分布较均匀。 研究不同变形量、不同变形区锻造变形组织在双相区相同热处理制度的组织转 变结果发现，不同变形区的组织在热处理后仍难以均匀，而提高变形量有利于静 态再结晶充分和均匀发生。试验研究了均匀变形区组织在n 单相区、( n + y ) 和 ( a ，+ y ) 双相区热处理的组织转变规律，从而确定了获得细小等轴双态( d p ) 组织和细小全层片组织( f f l ) i 拘热处理制度。双态组织等轴晶粒体积分数为4 6 6 ， 东北大学硕士学位论文摘要 等轴层片团和等轴晶粒尺寸约为1 4 6hm 。细小全层片组织层片团尺寸约为1 0 0u 1 1 1 。观察热处理再结晶组织发现，双态组织中残留有少量较大平直层片结构，组织 均匀性不足，全层片组织也因变形组织中有残留层片结构而不均匀。采用在相对 均匀的细小双态组织基础上进一步在a 单相区重结晶处理的细化和均匀化热处理 工艺，在空冷条件下获得细小均匀全层片组织。参照锻造变形组织热处理的组织 转变效果，在相应热处理制度下对比研究了挤压变形组织的转变效果，发现在( o + y ) 双相区热处理再结晶完全，残留的层片结构消失，但组织尺寸不均匀。而在 近共析温度退火处理可以保留变形流线中较均匀分布的组织形貌。 在( n + y ) 双相区热处理获得的细小等轴双态组织，其室温拉伸抗拉强度为 6 2 0 m p a ，屈服强度为4 4 0 m p a ，断后延伸率为2 5 。在( c t + y ) 双相区热处理 基础上进一步在a 单相区重结晶处理获得的细小全层片组织，其室温拉伸抗拉强 度为6 2 5 m p a ，屈服强度为4 6 5 m p a ，断后延伸率为1 5 。利用近共析温度退火获 得的挤压流线组织，其室温拉伸断后延伸率为3 ，屈服强度为5 3 5 m p a ，抗拉强 度为6 5 0 m p m 其8 0 0 。c 高温拉伸断后延伸率为1 5 6 ，屈服强度为3 6 5 m p a ，抗拉 强度为4 0 0 m p a 。可见，采用近共析温度退火的挤压变形流线组织的拉伸性能高于 双态组织和全层片组织。 s e m 观察表明，t i a l 台金室温拉伸断口均呈现为脆断。全层片组织合金断口 上主要是穿晶( 穿层和分层) 解理断裂，双态组织和挤压流线组织合金为准解理 和沿晶断裂。通过分析断口形貌特征提出在等轴晶粒数量较多的组织中裂纹在等 轴晶粒和层片团界面起裂，在层片团为主的组织中裂纹在层片界面或层片团交线 处起裂。在挤压流线组织中由于层片结构存在一定的方向性，易在与拉伸轴平行 的层片间界发生二次裂纹，促进主裂纹的分支钝化，阻碍裂纹扩展，因而拉伸试 样能在达到较大载荷和更多的塑性应变下失效。 关键词镍微合金化钛铝合金锻造挤压热处理组织特征拉伸性能 1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f n e a r i s o t h e r m a l h o t w o n e dt i a i a l l o yc o n t a i n i n g m i n o rn i a b s t r a c t y t i a ib a s e da l l o y se x h i b i tn u m e r o u sa t t r a c t i v ep r o p e r t i e sf o rh i g h - t e m p e r a t u r e s t r u c t u r 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 n da u t o m o b i l ei n d u s t r i e s t h e s ei n c l u d el o w d e n s i t y ( p 3 8 9 9 c m 3 ) ，h i g hs p e c i f i cy i e l ds t r e n g t h ，g o o do x i d a t i o n r e s i s t a n c eu pt oh i g h t e m p e r a t u r e s t h e r m a l m e c h a n i c a l p r o c e s s i n g h a s p l a y e da n _ i m p o r t a n t r o l ei n i m p r o v i n gr o o mt e m p e r a t u r ed u c t i l i t yo f t i a la l l o y b u t ，t h eo r d e r e dc r y s t a ls t r u c t u r eo f y - t i a l 踮w e l la st h em e c h a n i c a la n i s o t r o p yo ft h ec a s tl a m e l l a rm i c r o s t r u c t u r em a k e s t i a i a l l o y se x h i b i t i n gv e r yl i m i t e d h o tw o r k a b i l i t y i na d d i t i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r e i n h o m o g e n e i t ya f t e r d e f o r m a t i o no b v i o u s l yi n f l u e n c e st h em e c h a n i c a lr e l i a b i l i t yo f w r o u g h tt i a i i ti s f o u n dt h a tn im i c r o a l l o y i n gh a si m p r o v e dt h eh o td e f o r m a t i o n b e h a v i o u ro ft i a l a l l o y s ot h a t ，t h et i a ia l l o yc o n t a i n i n gm i n o r n ii sv e r y p r o m i s i n g a s aw r o u g h tm a t e r i a la p p r o a c h i n gt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h em a c r o a n dm i c r o s t r u c t u r e so f t i 4 6 3 a i 2 o v - 1 0 c r - 0 5 n i ( a t 、a l l o yh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e d i na s h o t - f o r g e dp a n c a k e sa n dh o t e x t r u d e dr o d s t h em i c r o s t r u c t u r et r a n s f o r m a t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e da f t e rv a r i o u sh e a tt r e a t m e n t s s e v e r a lt y p i c a lm i c r o s t r u c t u r e sh a v e b e e n p r o d u c e d a n de v a l u a t e db yt e n s i l et e s t s t h ef r a c t u r es u r f a c e so ft e n s i l es p e c i m e n s w e r ea l s oa n a l y z e du n d e rj e o lj s m - 6 4 0 0s e m m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i z a t i o ni nn e a ri s o t h e r m a l f o r g e d a n de x t r u d e db i l l e t s ， m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o no fs t a t i c r e c r y s t a l l i z a t i o n , h e a t t r e a t m e n t s c h e m eo fr e f i n i n ga n dh o m o g e n i z i n go ft h ed e f o r m e dm i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i s m o fr o o m t e m p e r a t u r et e n s i l ef r a c t u r eo ft i - 4 6 3 a 1 2 o v - 1 o c r - o 5 n i ( a t 1a l l o yw e r e s t u d i e db ym e a n so f o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，i m a g ea n a l y z e r ( i a ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) a n d t e n s i l et e s t s t h r o u g hi n v e s t i g a t i n g t h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h ed e f o r m e dm a c r o a n d m i c r o s t r u c t u r e so f5 0p e r c e n t , 6 0p e r c e n ta n d7 0p e r c e n ti n d u c t i o nf o r g e dp a n c a k e sa n d e x t r u d e dr o d ，t h ei n h o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r e sc o n s i s t i n go fe q u i a x e dg r a i n s ，s t r a i g h t o2 y l a m e l l a ra n db e n t o2 y l a m e l l a rr e s u l t i n gf r o mp a r tr e c r y s t a l l i z a t i o nw e r e i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o b s e r v e di nh a r dd e f o r m a t i o na r e a ，f r e e d e f o r m a t i o na r e a a n d h o m o g e n e o u s d e f o r m a t i o na r e ao fd e f o r m e da l l o y a tt h es a l n et i m e ，i tw a sf o u n dt h a ti n c r e a s i n g d e f o r m a t i o ni n d u c t i o ne n l a r g e dh o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o na r e a ，t h u sp r o m o t e dt h e h o m o g e n e i t yo fd e f o r m a t i o nm i c r o s t r u c t u r e h o w e v e r , q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s o ft h e v a r i a t i o no ft h em i c r o s t r u e t u r ei nh o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o na r e as h o w e dt h a tv o l u m e f r a c t i o no fs m a l le q u i a x e dg r a i nw a si n a d e q u a t e ，a n dt h e yd i s p e r s e di nc o a r s el a m e l l a r c o l o n i e sm a t r i x 、v i t l ld i f f e r e n tm o r p h o l o g yo f o2 y l a r n e l l a rs t r u c t u r e ，t h ev a r i a t i o no f m i c r o s t r u c t u r e p a r a m e t e r a n dd i s t r i b u t i o n i n d u c i n g t h e h o m o g e n e i t y o ft h e m i c r o s t r u c t u r es h o u l db ed e c r e a s e ds i n c et h ed e p e n d e n to ft h el e v e la n ds t a b i l i t yo f r o o m t e m p e r a t u r e t e n s i l e p r o p e r t i e s o nm i c r o s t r u c t u r e h o m o g e n e i t y t h r o u g h i n v e s t i g a t i n gt h ec h a r a c t e r i z a t i o no f d e f o r m a t i o nm i c r o s t r u c t u r ei nl o n g i t u d i n a ls e c t i o n o fe x t r u d e da l l o y , h o m o g e n e o u sm i c r o s t r u e t u r e sw i t ha u n i f o r md i s t r i b u t i o no f e q u i a x e d g r a i na n dl a m e l l a rs t r u c t u r ew e r eo b s e r v e di nt h em a c r o s t r u c t u r ew i t hp a r a l l e ls t r e a m l i n e f i n ee q u i a x e dd u p l e xm i c r o s t r u c t u r ep r o d u c e da f t e rh e a tt r e a t m e n ta t ( a + y ) p h a s e f i e l da n df 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 ep r o d u c e da f t e rh e a tt r e a t m e n ta t o p h a s e f i e l du n d e ra i rc o o l i n gw e r es e l e c t e dr e f e r r i n gt ot h er e s u l t so fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n i nd i f f e r e n td e f o r m a t i o na r e ao ft h r e ei n d u c t i o na l l o yd u r i n gv a r i o u sh e a tt r e a t m e n t s t h ev o l u m ef r a c t i o no f e q u i a x e dg r a i nw a s4 6 6 t h eg r a i ns i z ew a s1 4 61 tr a t h es i z e o fc o l o n yw a sf m e a b o u t1 0 0um o b s e r v a t i o no fd pa n df lm i c r o s t r u c t u r ei n d i c a t e d t h a tt h e r ee x i s t i n gs m a l lv o l u m ef r a c t i o no fr e m n a n ts t r a i g h tl a m e l l a rs t r u c t u r ei nd p a n df f lm i c r o s t r u c t u r e b a s e do f ff i n e e q u i a x e d d pm i e r o s t m c t u r ef u r t h e rh e a t t r e a t m e n tc o n d u c t e da t o p h a s ef i e l dy i e l d e df f l m i c r o s t r u c t u r eu n d e ra i rc o o l i n g c o n d i t i o n i nc o n t r a s tw i t l lt h em i c r o s t m c t u r e a f t e r r e c r y s t a l l i z a t i o no fa s f o r g e d m i c r o s t r u c t u r e ，h e a t t r e a t m e n t a t ( a + y ) p h a s ef i e l d a n d o p h a s e f i e l d u p o n a s e x t r u s i o nm i c r o s t r u c t u r ew e r ec o n d u c t e d ，a n df u l ls t a t i cr e c r y s t a l l i z e dm i c r o s t m c t u r e w i t h o u tr e m n a n tl a m e t l a rs t r u c t u r ew e r eo b m i n e da f t e rh e a tt r e a t m e n ta t ( a + y ) p h a s e ， b u tt h eg r a i ns i z ew a si n h o m o g e n e o u s i no r d e rt om a k eu s eo fc o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o n o ft h eu n i f o r mm i c r o s t r u c t u r ei np a r a l l e ls t r e a ml i n e ，a n n e a l i n gh e a tt r e a t m e n ta tn e a r e u t e e t o i d t e m p e r a t u r e w a s p r o p o s e d a n dc a r r i e do u t f i n e e q u i a x e d d pm i c r o s t r u c t u r ew i t hh i g hp r o p e r t i e sw e r em a d e ，i t st e n s i l e v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r e n g t h y i e l ds t r e n g t ha n dd u c t i l i t yr e a c h e d6 2 0 m p a ，4 4 0 m p a a n d2 5 ，r e s p e c t i v e l y f i n e f u l l y l a m e l l a rm i c r o s t r u c t u r ew i t hl o w e r d u c t i l i t y a n d g o o ds t a b i l i t y o f m e c h a n i c a lp r o p e r t yw a sm a d e ，i t st e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n dd u c t i l i t yr e a c h e d 6 2 5 m p a ，4 6 5 m p aa n d1 5 ，r e s p e c t i v e l y t h eu l t i m a t es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n d d u c t i l i t y o fp a r t r e c r y s t a l l i z a t i o n m i c r o s t r u c t u r eo fe x t r u d e d a l l o y w e r e6 5 0 m p a ， 5 3 5 m p aa n d3 r e s p e c t i v e l y t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r e s ，i tw a sf o u n dt h a t i t st e n s i l e d u c f i l i t y a tr o o m t e m p e r a t u r ed e c r e a s e d w i t hi n c r e a s i n gc o l o n ys i z e ，a n dy i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h e i m p r o v e m e n to f t h eh o m o g e n e i t yo fm i c r o s t r u c t u r e ，a n dh o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r e w a sb e n e f i c i a lt ot h es t a b i l i t yo fr t t e n s i l ep r o p e r t i e s t h r o u g hs e m o b s e r v a t i o na n a l y z i n gt h ef r a c t u r ec h a r a c t e r so ft i a l b a s e da l l o y , i t i n d i c a t e dt h a tf r a c t u r eo c c u r e di nam i x e dm o d eo fi n t e r g r a n u l a r f r a c t u r ea n d t r a n s g r a n u l a rf r a c t u r ef o rd p m i c r o s t r u c t u r eo ff o r g e da l l o ya n dm i c r o s t r u c t u r eo fp a r t r e c r y s t a l l i z a t i o ne x t r u d e da l l o y a tr t , a n d i n t e r g r a n u l a rf r a c t u r e ，i nac o m p l e xm a n n e r , a c o m b i n a t i o no fl a m e l l a rs e p a r a t i o n ( d e l a m i n a t i o n ) a n dt r a n s l a m e l l a rf r a c t u r eo c c u r r e di n f lm i c r o s t r u c t u r e i tw a sf o u n dt h a ti n t e r g r a n u l a rf r a c t u r eo c c u r e da l o n gt h eb o u n d a r i e s b e t w e e nt h e e q u i a x e dg r a i n a n dl a m e l l a r c o l o n y i nd pa n d p a r tr e c r y s t a l l i z a t i o n m i c m s t r u c t u r e ，w h i c hf r a c t u r em o r p h o l o g yc o n s i s t i n go f l e s sc l e a v a g ef a c e t so f c o l o n y b o u n d a r y o fy g r a i n s a n da l a r g e n u m b e ro ft r a n s g r a n u l a rf r a c t u r eo fl a m e l l a r m i c r o s t r u c t u r e ，a n di n t e r g r a n u l a rf r a c t u r eo c c u r e da i o n gt h el a m e l l a rc o l o n yb o u n d a r y o ri n t e r s e c t i o n t r a n s l a m e l l a ra n dd e l a m i n a t i o nc r a c k i n gp r o p a g a t e de a s i l y w h i c hw a s d i f f e r e n tf r o mt h ec r a c kp r o p a g a t i o nh i n d e r e db yd e n d r i t i cc r a c k i n ga tb o u n d a r i e s b e t w e e n e q u i a x e dg r a i na n d l a m e l l a rc o l o n yi np a r tr e c r y s t a l l i z a t i o nm i c r o s t r u c t u r e k e y w o r d st i a la l l o yc o n t a i n i n gn i ，f o r g i n g ，e x t r u s i o n ，m i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r i z a t i o n ，h e a t - t r e a t m e n t ，t e n s i l ep r o p e r t i e s v i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含本人为获得学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示谢意。 本人签名：五l - 山 日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 金属间化合物高温结构材料的发展概况 对航空航天飞行器发动机结构材料的要求基本有两个，一是足够的高温强 度，抗氧化性及蠕变抗力，二是尽量低的比重，这两者是进一步提高发动机工 作温度，减轻发动机自身重量，实现增加发动机工作效率、提高推动力、节省 燃料的关键措施。为此，具有良好高温力学性能和低比重的高温材料，一直是 材料科学工作者追求的目标。 目前广泛采用的高温结构材料是以n i 、f e - n i 、c o 等为基的高温合金 1 l ， 作为传统的金属材料，高温合金是通过原子间无方向性的金属键结合，晶体结 构多为f c c 、b c c 和h c p 类型。固溶强化、第二相强化和晶界强化为高温合 金的三个基本强化手段，但这些高温合金的使用温度已接近极限，而且其密度 较大，难以满足进一步提高高温强度和结构减重的目的。 金属间化合物是两种或两种以上金属元素或金属元素与类金属元素按照一 定的原子比组成的具有不同于其组元的长程有序化合物。由于原子排列的长程 有序以及原子间金属键与共价键的共存，使其有可能兼顾金属较好塑性和陶瓷 高温强度。早在5 0 年代，就有人提出开发金属间化合物基高温结构材料，以达 到提高使用温度和结构减重的目的，但由于其晶体结构对称性低、晶界结合力 差等原因引起的室温脆性问题难以解决，金属间化合物材料一直未能实用化【2 l 。 8 0 年代初，解决金属间化合物室温脆性问题的研究取得了突破，通过调整晶体 结构、强化晶界的合金化和引入第二相等的组织控制显著地改善了一些金属间 化合物的室温脆性，在全球范围内掀起了金属间化合物材料研究开发的热潮【3 】。 近二十年来，国内外对t i a 1 、n i a l 、f e a l 三个体系的a 3 b 和a b 型金属 阳j 化合物进行了广泛研究并取得重大进展，其中t i a l 、t i 3 a 1 、n i 3 a 1 、n i a i 等 金属问化合物具有优异的热强性和环境抗力，有望在高温结构材料领域得到广 泛应用1 4 】。至今，t i a i 、t i 3 a i 和n i 3 a l 基合金制成的航空发动机低压涡轮叶片、 矢量喷口调节片及航天器氧涡轮壳体等部件均在进行应用研究，用t i a l 基合金 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 制作的车用发动机增压涡轮转子已于1 9 9 9 年开始商业化应用。 1 1 2t i a i 系金属间化合物 t i a 1 系金属间化合物共有低比重和良好高温性能的配合，其比强度高于常 见高温合金，且近年来在室温韧化上已有较大的突破，应用前景十分诱人。t i a l 系金属问化合物包括y t i a l 、a 2 t i 3 a l 和6 t i a l 3 三种金属间化合物。 t i 3 a l 基合金是较成熟的合金，虽然在比重、弹性模量、使用温度范围方面 不如t i a l ，但熔点、室温强度和塑性均高于t i a i ，使得t i 3 a l 最先成为引起航 空航天部门重视的t i a l 系金属间化合物。这类合金面临的主要问题是抗氧化性 较差，因为其a l 含量低，高温下不能形成致密的a 1 2 0 3 保护层，o 原子会逐步 侵蚀至台金的内部导致材料失效垆】。近期研究表明合金存在较强烈的环境脆性 和缺口敏感性1 6 】，一定程度上也限制了t i 3 a 1 的应用。 t i a l 3 基合金仍处于理论探索阶段，其比重最低，抗氧化性最好，但由于熔 点低，其高温使用的潜力受到一定限制，更为严重的是它的室温脆性问题还没 有得到较好的解决。 t i a l 基合金是金属间化合物研究的焦点。t i a l 比重低，高温强度、蠕变抗 力和抗氧化性也较理想，使用温度可达9 0 0 0 c 。和其它金属间化合物一样，t i a l 实用化的主要障碍也是室温脆性问题，八十年代末，特别是进入九十年代以来， 在保持高温性能优势前提下其室温韧化已有长足发展，室温延伸率已接近5 1 7 1 ， 断裂韧性达到3 0 m p a m 。1 胆【8 1 ，铸造和热加工工艺也逐步完善 9 , 1 0 1 ，其应用前景日 益明朗。 1 2 y - t i a l 基合金的研究现状 t i a i 基台金具良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化和阻燃性能，且密度低、 弹性模量较高，有希望部分替代高温合金应用于航空、航天和汽车工业发动机 等领域。表1 1 对比了钛合金、t i a l 基合金和n i 基高温合金的性能【1 1 】。从中可 看出，t i a l 基合金比钛合金有明显优越的高温性能，使用温度可提高至9 0 0 0 c ， 与n i 基高温合金相近：但其密度仅为镍基高温合金的一半，t i a l 基合金的缺点 是较低的抗损伤能力、室温塑性、断裂韧性和高裂纹扩展速率增加了失效的危 险性【l 。目前在t i a l 基合金室温脆性研究方面获得了很大进展，使其初步具备 实用化的条件 13 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 钛合金、t i a l 基合金和n j 基高温合金的性能对比 旦! ! ! ! ：! 竺! 翌竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1 2 1 垒! ! ! ! ! ! ! 型! ! 芝! ! 垒! ：! ! ! ! ! ! ! ! 型! ：! 竺旦! ! ! ! z 性能钛合金t i a i 基合金 n i 基高温合金 t i a i 基合金根据铝含量的不同可分为单相y 合金和两相t + c t 2 合金，见图1 1 。 单相合金的a l 含量一般大于5 0 a t ，是单一y t i a i 金属间化合物，其有序 结构保持至熔点温度1 4 6 0 ( 2 。尽管单相合金比双相合金具有更好的环境抗力， 但目前尚无解决其室温脆性问题的有效途径，不具有实用价值。双相t i a l 合金 的a l 含量一般在4 4 4 9 a t 之间，由y t i a l 和旺2 t i 3 a i 金属间化合物组成。t - t i a i 具有有序面心四方l 1 0 ( c u a u ) 型有序超点阵结构，为正方点阵，空间群为p 4 m m m ， 如图1 2 a 所示。点阵单胞含4 个原子，t i 和a l 各有2 个原子，t i 原子与a 1 原子 沿 0 0 1 方向交替排列在( 0 0 2 ) 面上。单胞参数随成分变化，a = 0 3 9 5 7 0 4 0 1 5 n m ， c = 0 4 0 6 2 0 4 0 9 7 n m ，c a 轴比= 1 0 1 1 0 3 。a 2 一t i 3 a 1 具有有序六方d o l 9 超点阵 结构，空间群为p 6 a m m c ，如图1 2 b 所示。点阵单胞在( 0 0 0 1 ) 面上原子为密排 结构，保证了a l 原予与t i 原子键合，并以t i 原子作为最近邻原子。该单胞可以 表征为由四个亚初级胞穿插而成，其中的3 个为t i 原子占有，1 个为a l 原予占有。 单胞参数随成分变化，a = 0 5 7 8 3 0 5 6 4 0 n m ，c = 0 4 7 6 0 0 4 6 1 9 n m 。0 l 2 t i l a i 是 一种有序【置i 溶体，高于临界温度将转变为无序固溶体0 【相( 六方h c p 结构) ，其从 东托欠渗须士学位论文第一掌绪论 有序到觅序的转变为：毗。y 和2 两相间释在一定的结晶学关系1 1 4 ( o 0 0 1 ) 。2 1 1 1 y 1 1 互o q 2 y 嬲l 。1t i a l 含金二元榴照中阐部分 f i g + 1 1t h ec e n t r a lp o r t i o no f 穗et i - a ib i n a r yp h a s ed i a g r a m + t h ea l l o yc o m p o s i t i o nf o rt h e p s e u d o b i n a r ya l l o ys y s t e m ，c = t i 一4 7 a 1 ，i sd r a w n ，t c t = a l p h at r a n s u s ，t e = e u t e c t o i dt e m p e r a t u r e 黧1 2 7 - t i a i 帮程2 - 繁3 a l 瓣磊傣结擒 f i g i + 2c r y s t a ls t r u c t u r eo f t - t i a la n da 2 氆3 a l ( a ) 7 - t i a hc o ) * c 2 - t i s a l - 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 研究发现，双相合金中的y 相含a l 量比单相合金低，有利于1 2 1 1 1 0 全位错滑移 和1 6 1 1 1 2 型s h o c k l e y 不全位错的孪生变形开动。还有人认为双相合金中的氧 是稳定旺2 相元素，优先进入2 相，因2 相可溶解大量的氧( 溶解度高达2 5 1 0 4 ) ，从而降低了y 相中的氧含量( 氧在y 相中的溶解度大约为3 1 0 4 ) ，改变了 位错的核心结构或层错能，有利于1 1 2 1 1 0 1 全位错开动。已经充分证明【l ”，通 过组织调整及合金化的双相合金比单相合金具有更好的室温塑性和断裂韧性， 因而现广泛开展应用研究的是双相n a l 合金。 1 2 1 双相1 ，一t i a l 合金体系 早在2 0 世纪5 0 年代初，美国学者首先对t i 5 0 a t a l 二元合金的性能进行 了研究，结果因为其室温塑性太差而放弃。1 5 年后，美国p & w 实验室的 m b l a c k b u r n 教授研究发现了具有2 室温塑性的t i 4 8 a 1 1 v - o 3 c 合金，被称之 为第一代t i a l 合金，但并没有被作为工程合金而得到发展【l6 1 。直到8 0 年代末， 美国g e 公司的s c h u a n g 博士发展了综合机械性能良好的t i 4 8 a 1 2 c r - 2 n b 合 金，被称为第二代n a l 合金，才在世界范围内引起对t i a l 合金的广泛兴趣。又 经大量研究，己发展出第三代t i a i 合金( 表1 2 ) 。 表i 2t i a i 基合金的发展 t a b 1 2d e v e l o p m e n t o f l - t i a ia l l o y g e n e r a t i o n c o m p o s i t i o n a t p r o c e s s i n g 1 s tt i 一4 8 a 1 1 v - 0 3 c e x p l o r a t o r y 2