（材料学专业论文）长期大气热暴露环境中含钨铌细晶tial合金的组织和性能变化.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 研究了含钨铌的细晶铸态t t a i 合金中b 2 + c o 偏聚相出现的原因，总结了 不同热等静压温度( 1 2 6 0 0 c 和1 3 4 0 0 ( 2 ) 对铸态高合金含量t i a i 合金中出现的 b 2 + c o 偏聚相的影响控制能力。研究发现：在a 单相区( 1 3 4 0 0 c ) 进行的热等静 压处理可以完全消除b 2 + 偏聚相。 研究了在7 0 0 0 c 大气热暴露一万小时对不同热等静压处理状态的含钨铌 细晶铸态t i a l 合金组织和性能的影响。研究发现，在长期的高温热暴露过程 中，亚稳定的0 l 2 板条发生了平行于a 以板条界面的屹一啦竹分解，但极少观 察到啦板条发生垂直于a 2 1 , 板条界面的分解。在整个一万小时的高温热暴 露过程中t 板条都表现得非常稳定，没有回复，再结晶和断开现象。另一方 面，该合金中有序共生的b 2 + c o 偏聚相在高温热暴露过程中逐渐发生了 o s w a l d 熟化过程，但是，b 2 相仍有留存。特别注意到，在消除了b 2 + a 口偏聚 相的合金中( 1 3 4 0 0 ch i p ) ，由于高压处理后，原先b 2 + c o 偏聚相中高含量的 n b 和w 溶解到了片层晶团中，使得晶团中0 c 2 竹束含有较高的1 3 稳定元素。 这种状态的合金经过长时的高温热暴露，会诱生极少量的a e + v - + b 2 + c o 相变。 但这种相变发生不普遍，因此尚不足以对力学性能形成明显的不良影响。 对长期高温热暴露前后的合金进行了室温拉伸和四点弯曲疲劳性能的系 列评估。评估发现，( 1 ) 未热暴露时，两种不同热等静压制度获得的合金两 种状态的拉伸和疲劳性能数据基本一致，说明体积分数为4 的b 2 + t o 偏聚相 对两种力学性能影响不大。( 2 ) 合金的这两种状态在高温热暴露过程中表现出 了稳定的拉伸及疲劳性能，在一万小时的长期高温热暴露后拉伸和疲劳性能 均未发生明显的衰退现象。这表明，含钨铌的细晶铸态t i a i 合金具备了良好 的高温热稳定性。 关键词：y - t i a l ；热稳定性：力学性能；偏聚；透射电子显微镜 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h es e g r e g a t i o no fb 2 + o 口b l o c k s 砒g r i nb o u n d a r i e sw a si n v e s t i g a t e df o ra f m e - g r a i n e dn b + wc o n t a i n i n ge a s tt t a ia l l o ya n dt h ea b i l i t yt oc h a n g et h e s e g r e g a t e db 2 + t h r o u g hc h a n g i n gt h eh o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ( h i p ) t e m p e r a t u r e ( f r o m1 2 6 0 0 ct o1 3 4 0 0 c ) w a sa s s e s s e d i tw a sf o u n dt h a tt h e4v 0 1 b 2 + o d b l o c k sr c t a i n e da r e r1 2 6 0 0 ch i p p i n gw e r ea l m o s te l i m i n a t e dt o t a l l yb yr a i s i n gt h e h i p t e m p e r a t u r e t ot h es i n g l ea p h a s ef i e l d ( 1 3 4 0 0 c ) t h em a i no b j e c t i v eo ft h er e s e a r c hw a st od e t e r m i n et h ee f f e c t so fl o n g - t e r m a i re x p o s u r e ，i nt h et e m p e r a t u r eo f 7 0 0 0 cf o ru pt o1 0 0 0 0 h ，o nt h es t a b i l i t yo f t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew + n b c o n t a i n i n gt i a ia l l o y i t w a sf o u n dt h a ta f t e r l o n g - t e r mh i g ht e m p e r a t u r ee x p o s u r e ， c o n s i d e r a b l e d e c o m p o s i t i o no fm e t a s t a b l e 啦l a t h so c c u r r e di nt h ed i r e c t i o np a r a l l e lt ot h ea 2 v l a m e l l a r i n t e r f a c e ，w h i l e l i t t l e d e c o m p o s i t i o no c c u r r e da l o n g t h ed i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a rt ot h eu 2 rl a m e l l a ri n t e r f a c e i nc o n t r a s tt od e c o m p o s e du 2l a t h s ，丫 l a t h sw e r eo b s e r v e dt ob eq u i t es t a b l ea f t e r1 0 0 0 0 he x p o s u r e n og r a i nr e c o v e r y , r e c r y s t a l l i z a t i o na n dd e c o m p o s i t i o no f 丫l a t h sw e r er e c o r d e d o nt h eo t h e rh a n d , o s w a l dc o a r s e n i n go f 日0p a r t i c l e si nr e t a i n e db 2 + c ob l o c k sw a so b s e r v e dd u r i n gt h e t h e r m a le x p o s u r ep r o c e s s ，d u r i n gw h i c hs o m eo fb 2w a ss t i l lr e t a i n e d i tw a s i n t e r e s t i n gt of i n dt h a tas m a l la m o u n to f t h eb 2 + c ob l o c k sw h i c hw e r ee l i m i n a t e d o r i g i n a l l yb y1 3 4 0 0 ch i p p i n gc a nr e - f o r mi nt h e 啦竹l a m e l l a en e a rt h eg r a i n b o u n d a r i e st l l r o u g ht h eg t 2 竹- b 2 + c 0p h a s et r a n s f o r m a t i o n 皿i sw a sa t t r i b u t e dt oa h i g h e rd e g r e eo fe n r i c h m e n ti nn ba n dw i ns u c hl a m e l l a rr e g i o n s ，n e a rw h i c h d i s s o l v i n go fr e t a i n e db 2 + ( ob l o c k so n c eo c c u r r e d a f t e ral o n g - t e r mt h e r m a l e x p o s u r e b 2 + c oc o u l db ei n d u c e df r o mt h en b + we n r i c h e da r e a s i tw a sn o t e d t h a ts u c hap h a s et r a n s f o r m a t i o nf f o r hl a m e l l a ep a c k e t sa tl a t e re x p o s u r es t a g ew a s n o taw i d e s p r e a dp h e n o m e n o n , a n dt h e r e f o r et h e r ew e r en os i g n i f i c a n td e t r i m e n t a l e 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 t h ea l l o y 西南交通大学硕士学位论文第1 i i 页 t h et e n s i l e p r o p e r t i e s a n ds - n f a t i g u e l i m i tw e r ea s s e s s e da tr o o m t e m p e r a t u r es y s t e m a t i c a l l yf o rt h ef m e - g r a i n e dn b + wc o n t a i n i n ga l l o yb e f o r ea n d a f t e re x p o s u r e ( 1 ) f o rt h ea l l o yb e f o r ee x p o s u r e ，t h et e n s i l ea n ds - nf a t i g u e p r o p e r t i e so b t a i n e dw e r en o tq u i t ec h a n g e dw i t hi n c r e a s i n gh i p p i n gt e m p o r a t u r e ( f r o m1 2 6 0 0c t o1 3 4 0 0c 、t h i ss u g g e s t st h a tt h e4v 0 1 b 2 + o ) b l o c k ss e g r e g a t e d a l o n gg r a i nb o u n d a r i e sd i dn o ta f f e c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc o n s i d e r a b l y ( 2 ) f o rt h ea l l o ya f t e rt h e r m a le x p o s u r e ，r e g a r d l e s so fh i p p i n gt e m p e r a t u r e ，n o n o t i c e a b l ed e t e r i o r a t i o ni nt h et e n s i l ea n ds - nf a t i g u ep r o p e r t i e sw f f t eo b s e r v e d t h r o u g h o u tt h ep r o l o n g e de x p o s u r ep r o c e s s t h i s i n d i c a t e st h a tt h ew 神妯 c o n t a i n i n gf r e e - g r a i n e dc a s tt i a la l l o yi sr e l a t i v e l ys t a b l ei nt e r m so f i t sr e s i s t a n c e a g a i n s tt h e r m a ld e t e r i o r a t i o n k e yw o r d s ：y - t i a l ；t h e r m a ls t a b i l i t y ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；m i c r o s e g r e g a t i o n ； t r a n s m i s s i o ne l e t r c o nm i c r o s c o p y ( t e m ) 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 t i a i 基合金的基本特征 t i a i 基合金由于密度低，比强度高，熔点高和高温抗氧化性能良好等优 点，被认为是一种航空航天和汽车工业用理想的轻质高温结构材料，有望替 代现有的镍基高温合金f l 】。从表1 - 1 可以看出。t l a i 基合金不仅具有良好的耐 高温、抗氧化性能，而且弹性模量、抗蠕变性能也比t i 合金好得多，甚至优 于t i 3 a l 合金而与n i 基高温合金性能相当，但密度却不到n i 基合金得一半。 与其它的合金系相比，t i a i 基合金即使在较高的温度环境中依然能够保持很 好的力学性能，明显优于其它合金系，如图1 1 所示。因此，目前t i i 认l 基合 金已经成为我国及世界上其他国家如美国、德国、英国和日本等正在重点研 t e m p e r a t u r e ( 1 0 图l - 1 儆l 基合金和其他合金系的性能比较f l j f i g 1 - 1t h ep r o p e r t i e so f t i a l - b a s e da u o ya n d o t h e ra l l o y s 【1 】 奎1暑ii，毒暑一，。暑若ls 西南交通大学硕士学位论文第2 页 究和开发的几大高性能结构材料之一。 t i a l 基合金的主要应用优势可归纳为【2 】： 1 t 认l 基合金较之航空发动机其它常用结构材料的比刚性高5 0 。高刚性有 利于要求低间隙的部件如箱体、构件及支撑件等，同时可以将噪声震动移 至高频率而提高叶片等部件的寿命； 2 t i a ! 基合金在6 0 0 7 5 0 0 ( 2 的良好抗蠕变性能，使其可能替代某些n i 基高 温合金部件而重量减轻一半； 3 t t a i 基合金具有良好的阻燃能力，可替换一些昂贵的阻燃设计t i 合金。 与n i 基高温合金相比，t i a l 基合金可使燃烧室及高温蒙皮结构使用温度 大大增加，还可使喷气发动机推重比提高5 0 以上 3 , 4 1 由于t i a i 基合金的这些优势，在航空航天未来发动机用材中，它得到了 高度的重视，据美国航空航天局预测，在2 0 2 0 年t i a i 基合金可能约占发动 机用材重量的1 5 1 引。 表1 - 1 钛合金、钛铝化合物及镍基高温合金的性能比较嘲 t a b l e1 - 1c o m p a r i s o n so f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa m o n gt ia l l o y s ，t i a ia n dn is u p e r a l l o y l 2 ，6 】 西南交通大学硕士学位论文第3 页 但是，t i a i 基合金也存在缺点很明显：较低的室温塑性、断裂韧性和高 裂纹扩展速率增加了失效的可能性。正是这些缺点，阻碍了t t a i 基合金在实 际中的应用。 h a l 基合金很多的研究都是围绕改善和提高其室温力学性能来 进行的。 1 2 相与相变 图l - 2 所示为t i a i 二元相图的中间部分1 7 1 。该相图的高温部分存在两个包 晶反应：l + p a 和l + a 一丫j 在大约l1 2 5 0 c 存在一个q 一电竹共析反应。当 前广泛研究的t i a i 基合金的a l 含量大多在4 4 - 4 8 a t 范围内，室温下主要由 r 和0 c 2 两相组成。1 ，相为l 1 0 型有序面心正方结构，见图l 一3 a 所示，其晶格常 数a = 0 3 9 5 7 0 4 0 1 5 r i m ，c = 0 4 0 6 2 0 4 0 9 7 n m ，正方度嘲1 0 2 引。a 2 相是 有序的六方a 相，晶体结构为d o l 9 型，见图1 3 b 所示，晶格常数a f f i 0 5 6 4 0 0 。5 7 8 3 n m ，c = 0 4 6 1 9 0 4 7 6 0 n m $ 。当二元合金中加入一定量的b 稳定元素， 则会出现体心立方的有序p 相( b 2 结构) ，也称b 2 相。 t i a i 基合金中存在着两种类型的a 一丫相变，从a 单相区缓冷( 如炉冷、空 冷) ，母相a 中析出片状丫l 相，最终形成两相t i a l 基合金典型的丫慨片层 ( 1 a m e l l a r ) 组织；而从a 单相区快冷( 如油淬、水淬) 则会发生非扩散型的a 一丫m 块状( m a s s i v e ) 转型9 1 。 丫和啦两相构成的片层组织是t i a i 基合金特有的典型组织。这种片层结 构是由数片1 ，片层夹带着单一的a 2 片层平行排列构成的。片层组织具有如下 一些晶体学特征： ( 1 ) 1 ，和啦两相之间存在着b l a c k b u m 位向关系1 0 】： 1 1 1 ，( 0 0 0 1 ) a 2 , ， 屹 ( 1 1 ) ( 2 ) 因为c t - - * a 2 有序化转变不改变晶体位向，因此在同一片层晶粒内所有的睨 片层均具有相同的晶体位向。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 a t o m i cp z r c e n ta l u m i n i u m 图l - 2 啊- a l 部分相图1 2 3 】 f i g 1 - 2s e c t i o no f t h et i a lp h a s ed i a g r a m ”】 (a)lio(”d019 图l - 3t 相( a ) 和啦相( b ) 的晶体结构 f i g 1 - 3tp h a s e ( a ) a n d 啦p h a s e c r y s t a ls l r u c t u r c ( 3 ) 相邻丫片层之间存在着三种类型的界面：真孪晶型、伪孪晶型和1 2 0 。一 旋转有序型 i m 2 】。三种界面的能量之比在1 3 ：2 至1 ：7 ：6 之间，真孪晶型界 面出现几率最大，1 2 0 0 一旋转有序型界面出现几率最小【1 2 1 。形成不同类型 p。2暑嚣若日占 西南交通大学硕士学位论文第5 页 界面的y 片层之间的位向关系见图l - 4 。 ( 4 ) 每片丫片层均被无规则的1 2 0 0 一旋转有序畴界分隔成许多有序畴1 3 】，这 些畴界的产生是由于l l o 结构的 l _ o 】和 0 1 t 】晶向在晶体学上不等价 ( 见图1 3 a 所示) 引起的。 ( 5 ) 1 2 0 0 一旋转有序型界面两侧丫片层的 1 1 1 面堆垛序列是相同的，而构成孪 晶或伪孪晶型界面的相邻两y 片层的 l l l 面堆垛序列则相反。 图l 一4 丫，丫片层界面位向关系示意图 ( a ：完整晶体；b f ：伪挛晶关系；c & e ：1 2 0 0 旋转有序关系；d ：真孪晶关系) f i g 1 - 4s c h e m a t i cr 删t a t i o n o f t h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p so f 竹l a m e l l a ri n t e r f a c e s ( a ：p e r f e c tc r y s t a l ；b & f ：p s e u d o - t w i nr e l a t i o n s h i p ；c & e ：1 2 0 0 - r o t a t i o n a lo r d e r r e l a t i o n s h i p ；d ：t r u e - t w i nr e l a t i o n s h i p ) 图l - 2 所示的佴a l 相图在1 1 2 5 0 c 左右存在一个a 一0 c 2 竹共析反应，该反 应有两个特殊之处：其一，a 2 相是a 相的有序化产物，因此旺一睨转变可以 在不需太大过冷度的情况下快速进行，而由于晶体结构不同，丫相从伍或t 1 2 西南交通大学硕士学位论文第6 页 相中析出则困难得多，反应相对较迟缓；其二，相图上眈相的极限固溶度( 3 8 a 1 ) 和共析点成分( 3 9 5 a i ) 非常接近，且似睨恤) 和( a + a 2 ) a 2 两条溶解度 曲线间距很窄，a c - p a 2 转变在很小温度范围内完成。由于嘞相和1 ，相在析出 动力学和相平衡特点上的差异决定了a a 2 + 丫共析反应在通常的实验条件下 是难以发生的，因此也就排除了片层组织是通过共析反应形成的可能性【1 4 】。 目前己确认片层组织是通过，相从无序的n 相或有序的啦相基体中析出形 成的，即按如下两反应进行：a 一啦一蚴+ 丫或a 一嘶一毗+ 丫。具体按哪个反应 进行取决于合金的成分和冷却速率【1 4 】。上述两反应中y 片层的形核与生长机 制是相同的，而与基体的有序无序特征无关。片层组织的整个形成过程应包 括以下几个步骤【1 5 】： ( a ) h c p t t c 晶体结构的转变； ( b ) 原子扩散迁移引起化学成分的改变； ( c ) r c u o 有序化转变。 ，相的析出是从六方基体中的a 3 s h o c k l e y 分位错扩展开始的，该 机制最初是由b l a c k b u r n 10 1 提出的。六方基体中的a 3 全位错可分解为 带有简单层错( s f ) 的s h o c l d e y 分位错，而这种简单层错改变了六方基体局部 的( 0 0 0 1 ) 基面上的堆垛序列，即由原来的a b a b 型转变为a b c a b c 或 a c b a c b 型( 取决于s h o c k l e y 分位错的符号) 。而在六方基体的每两个基面上 重复上述机制，就可引起局部晶体结构的改变，即h c p f t c 。d e n q u i n 和n a k a 【l 别 将此f i c 堆垛区的形成过程称之为“预形核”阶段。f i c 堆垛区与六方基体之 间高度共格界面的形成可以大大降低1 ，相析出的形核阻力。 丫平衡相的形成应包括原子迁移引起化学成分变化的过程和舭堆垛区的 有序化过程。由于舭堆垛区与基体之间存在着低能、高稳定性的共格界面， 因此通过经典的原子扩散过程来实现化学成分的改变是很困难的。h o w e 提出 了种“台阶一凸起一扭折”( t e r r a c e 1 e d g e k i n k ) 机n t l 6 , 1 7 3 。1 ，片层通过s h o c k l e y 西南交通大学硕士学位论文第7 页 分位错扩展而向侧向生长，导致相界面上形成凸起，而扭折处则为原子附着 提供了有利位置，1 ，片层生长所需的化学成分变化是通过原子扩散迁移至扭折 处来实现的。因该机制具有切变和扩散双重特征，意味着片层沿纵向的生长 速度远远高于侧向生长速度。原子探针结果显示0 2 t 界面没有成分梯度【1 5 1 ， 表明 r 片层的生长不是由经典的长程扩散过程控制的。通过高分辨电镜己观 察到了y 相的生长台阶、扭折及台阶处的s h o c k l e y 分位错，台阶的高度为 d ( 0 0 0 1 ) a z - - 2 d 1 1 1 ，u ”。 d e n q u i n 和n a k a 1 5 】提出了如下的丫相有序化转变机制： ( a ) 基体中的s h o c k l e y 分位错扩展在局部形成一些f c 堆垛区； ( b ) 当发生有序化转变时，大量的有序畴在亚稳的f 【c 堆垛区内独立形核， 该转变是在片层的生长过程中发生的； ( c ) 因独立的f i c 堆垛区具有唯一确定的堆垛序列，因此有序畴生长并相遇 可形成有序畴界( o d b ) 或反相畴界( a p b ) ，而片层侧向生长并相遇则可 形成孪晶界f i n ) 或伪孪晶界( a t a ) 。 该机制可以很好地解释一些实验现象，如，因有序畴独立形核生长，所以 形成的o d b 是无规则的，且有序畴的尺寸变化很大；而y 相中很少观察到的 a p b 事实上也是存在的，只是因反相畴生长较快，a p b 陷入了o d b ，t b ，p t b 等“阱”中而被掩盖了，但在h r t e m 下可以分辨出这些混合界面【l 捌。 1 3t i a i 基合金显微组织 t i a i 合金有四种典型组织，等轴近y 组织( n e a rg a m m a ，简称n g ) 、双态 组织( d u p l e x ，d p ) 、近片层组织( n e a rl a m e l l a r ，n l ) 、全片层组织( f u l l y l a m e l l a r ，f l ) ，其中最具有工业应用前景的是全片层组织，在刚高于t 口温度 进行热处理，高温下的a 单相经炉冷就可以得到完全由低片层构成的全片 层晶团组织。因处理温度较高，而且没有y 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 合金的晶团尺寸多6 0 0 l o o o g m , 合 西南交通大学硕士学位论文第8 页 理选择热加工及处理工艺可将变形f l 组织的晶团控制在5 0 - 3 0 0 “r a ( 见图 l - 5 1 。 组织微观尺寸的控制包括有，片层组织含量、晶粒大小控制、a 狮的平均 体积百分比控制、片层间距的控制、晶界及片层界面控制等。主要是通过控 制加热温度，保温时间，冷却速率，以及引入热机械加工，适度合金化等来实 现这些控制的。对于f l 处理，随温度上升，a 晶粒尺寸或f l 片层尺寸按指 数规律增大。随保温时间延长，c t 晶粒尺寸或f l 片团尺寸按抛物线关系长大。 当在a + p 相区处理以获得较细小的a 晶粒并用较快的冷速冷却而获得细晶片 组织( r f l ) 。因而层片尺寸较细，片间距较小。r f l 合金一般是添加一定量的 合金元素以获得较低的l 、较窄的a 相区及宽的叶p 相区，其热处理的关键 是保证有少量的p 相钉扎在a 相界上抑制其生长，典型的合金是k 5 合金。沿 晶界的高温p 相冷却时转变为细小1 ，相，r f l 合金较之粗晶全片层组织具有 明显优越的综合性能，但其晶界上存在的细小1 ，相对合金的蠕变性能不利。 对于全片层的y - t i a l 基合金，片层团( 晶粒) 的尺寸对于室温塑性具有至关 重要的影响，将晶粒尺寸减小到几十微米，即可以使合金的室温力学性能得 到较大的提升。在 t - t i a l 基合金中加入少量的硼元素产生硼化物阻止铸态晶 粒的长大，可显著减小全片层组织的晶粒尺寸。同时，还可通过热机械加工 获得铸态细晶组织，减少滑移长度，增加非滑移系，从而提高塑性。 2 1 1 4 组织的优化设计 概括地讲，除了室温塑性和高温抗冲击性以外，f l 组织的其他力学性能 均优于d p 组织。细化f l 晶粒可以提高室温的塑性、强度和循环加载下的损 伤容度，但同时却又可能降低蠕变抗力、断裂韧性和高温疲劳寿命。细化片 层间距可以提高大多数的室温性能，但过度细化将导致晶界弱化和组织不稳 定，从而降低塑性和蠕变抗力。根据已有的研究结果，k i m 和d i m i d u k 1 6 堤 西南交通大学硕士学位论文第9 页 图1 5 为合金4 4 a 1 5 n b - 0 8 5 w - 0 8 5 b ( 1 3 4 0 。c h l p p i n g ) 的背散射照片，典型的全片层组织 f 培1 6b a c ks c a t t e r e ds e mi m a g e so f f u l l yl a m e l l a ra l l o y 4 4 a i - 5 n b - 0 8 5 w - 0 8 5 b ( 1 3 4 0 0 c h i p p i n g ) 性描述了具有最佳综合力学性能的优化组织的基本特征： ( 1 ) 组织类型：全片层组织( f u l l yl a m e l l a r ) ( 2 ) 毗一平均体积比在0 0 5 0 2 5 之间，尽可能少或者没有其它相存在； ( 3 ) 晶粒大小范围：5 0 3 5 0 p r n ； ( 4 ) 片层间距：k i n 2 ) ，而粗晶的f l 组织的室温 塑性很差( 一7 0 0 m p a ) 时，为了提 高t i a i 合金的高温力学性能和抗氧化能力，加入了较高含量( 6 1 0 ) 的n b ， w ，h f , c r ，m o ，m n ，t a ，z r 等过渡族难熔金属元素 2 9 - 3 2 】。这些过渡族元 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 素大都是1 3 相稳定元素，它们的加入不同程度地稳定了高温b 相。使得在高 温时的合金相平衡复杂化，同时使得降温时的相变也变得复杂。被稳定的d 相将在降温过程中发生a 2 b 2 的有序转变，在室温形成亚稳定的b 2 相。同 时亚稳定的b 2 相中可能会析出细小的相，b 2 和相都是有序结构，而且 容易偏聚在晶界( 图1 - 6 ，图1 7 ) 。它们的形成对t i a l 合金的性能有明显的影响。 对n 合金中b 一( o 的相变已经有比较系统的研究，对从无序的f 3 ( a 2 ) 和有序的 p 2 ) 中析出的相对力学性能的损害也有比较多的研究1 3 3 删。但由于t i a l 合 图l _ 6 为合金4 4 a i - 5 n b - 0 8 5 w - 0 8 5 b ( 1 2 6 0 0 c h i p p i n g ) 的背散射照片， 晶界处的白色大块为b 2 + 偏聚相 f 塘1 - 6b a c ks c a t t e r e ds e mi m a g e so f a l l o y4 4 a i - 5 n b - 0 8 5 w - 0 8 5 b ( 1 2 6 0 * c h i p p i n g ) , w h i t e b l o c kb 2 + ( ap h a s e sa tc o l o n yb o u n d a r y 金是相对比较新的航空航天材料，所以t i a i 合金中b 2 和相的出现对力学性能 的影响是需要认真研究的一个领域。现有的研究结果尚不充分，存在一些相 互矛盾的认识。有研究结果发现，当d ( b 2 ) 以较大的尺寸( 数微米以上) 出现在 晶界时，对高温性能有害。认为在高温( 7 0 0 8 0 0 0 c ) 时，b 相因具备b e e 结构， 较易变形，局部在晶界的变形对高温强度和蠕变不利1 4 1 屯】。也有研究认为1 3 0 3 2 ) 相的形成夺走了基体板条中固溶的合金元素，导致啦板条的加速分解，致使 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 否砸雨幂丽罗r 醉f 画丽丽秉丽百历五丽忑聂丽死丽口 相的存在对力学性能的影响【舳】。另一些研究结果发现，1 3 ( b 2 ) 的出现对高温 性能没有什么损害，认为这和相与等轴1 ，的存在能制约板条的分解有关【4 5 l 。 图1 - 7 ( a ) t e m 明场照片和( b ) 相对应的中心暗场照片揭示了b 2 + o 有序共生在一起并且 以两种特定的位向存在，衍射斑点为【1 1 0 】b 方向h 珂 f i g1 - 7 ( a ) ab fi m a g ea n d ( b ) t h ec o r r e s p o n d i n gc d fi m a g er e v e a l i n gt h ec op a r t i c l e sl y i n g a l o n gs p e c i f i cd i r e c t i o n s t h ed i f f r a c t i o np a t t e r no f t h ei h o 】p 瑚ea x i st a k e nf r o mt h e 附) b l o c k a i sa l s os h o w n i n 【4 q z w h u a n g 等人在研究工作中发现了块状b 2 和相的有序共生现象，这种 有序相共生明显损害t i a i 合金在室温的塑性和疲劳强度1 4 “s l 。 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 1 9 热稳定性 t i a ! 合金是7 0 0 0 c 以上使用的发动机材料，将要在高温大气环境中长期 服役，考察其高温稳定性是投入使用前必须进行的工作。z w h u a n g 等人 4 9 - 5 2 j 观察到，在长期高温( 7 0 0 0 0 时效时，一些开始不含b 2 的t i a i 合金中，会有 b 2 + 相沿0 2 板条或眈竹板条通过相变大量生成，以块状相的形态不断长大， 形成一种竹节现象( 图1 - 8 ) ，破坏了板条的连续性。同时亚稳定的啦板条在长 期热暴露后为了减少自身的体积分数，会在平行或垂直于晰的界面上发生 分解，转变为丫相，但在热暴露过程中都未观察到有丫相分解，断开或球化 现象。w o l f r a ms c h i l i n g e r 等人【5 3 1 对t i - - 4 6 a i - 1 5 c r 0 2 m o 0 2 5 s i 0 3 b 合金的高 温蠕变性能与板条自由程的关系进行了系统的研究，发现板条自由程较大 ( 2 0 0 r i m ) 的合金组织稳定，而相对自由程较d , ( 3 5 n m ) 的合金，蠕变性能较差， 微观组织有分解情况发生。但m b e s c h l i e s s e r 等人【5 4 1 对不同板条自由程 ( 1 2 p m - 1 4 0 h m ) 的t i - 4 6 5 a l - 4 ( c r , n b , t a ) b 合金进行7 0 0 0 ( 2 和8 0 0 0 c 的热暴露 3 5 0 0 小时后，并未发现板条自由程的不同对全片层组织的合金热稳定性有较 大影响，可以发现加载对热暴露过程中合金的组织稳定性影响较大。另外d h u 等人睁纠报道细晶全片层t i - 4 8 a i - 2 c r - 2 n b i b 在7 0 0 0 c 热暴露3 0 0 0 小时后， 几乎全部眈片层会分解，从而导致拉伸性能受到严重损害。l z z h o u 等人【5 5 1 研究了t i - 4 5 a 1 2 w - 0 5 s i 0 5 b 合金在8 0 0 9 0 0 0 c 的热稳定性问题，研究发现： 高温热暴露过程中，较细的睨板条有断开情况，啦板条会合并，并有啦相转 变为b 2 相，随着热暴露温度的变高，针状的b 2 相会变为球状，且啦向b 2 的转化量会增加。但文中没有将原始存在的b 2 相与新生成的b 2 相区分开， 且并未使用t e m 的选区衍射证明有新的b 2 相生成。 热暴露时的组织不稳定性，片层组织的退化和分解，都会对合金的力学性 能不利。因此选择适当的处理得到既强化又较稳定的组织状态是很重要的。 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 图l 一8 为合金辑s 1 在3 0 0 0 小时7 0 0 0 c 热暴露后的1 e m 暗场照片， 从图中可以观察到垂直于较细a 以板条发生的分解情况( 如箭头所示) 脚1 f 噜1 - 8t e md fi m a g eo f a l l o y4 4 8 - 1a f t e re x p o s u r ef o r3 0 0 0 ha t7 0 0 。cs h o w st h e p e r p e n d i c u l a rd e c o m p o s i t i o no c c u r r i n ga l o n gf r e e 嘶l a t h s ( i n d i c a t e db ya r r o w s ) 4 9 1 1 1 0 课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题 1 1 0 1 研究目标 以金属间化合物p 1 认l 为基的高温合金，具有低密度，高比刚度，优良 高温强度，蠕变抗力和氧化抗力等优点。正在发展成为新一代航空发动机材 料。t i a l 合金中的块状b 2 和相的有序相共生现象，这种有序相共生明显 损害了t i a i 合金在室温的塑性和疲劳强度。因此首先理解含钨铌1 认l 合金中 b 2 + c o 相出现的原因，总结采用热等静压合成技术不同热处理制度( 1 2 6 0 0 c 和 1 3 4 0o c ) 对铸态出现的b 2 + c o 偏聚物的影响控制能力。并且观察长期大气热暴 露( 在7 0 0o c 空气) 的不同阶段( 1 0 0 0 ，5 0 0 0 ，1 0 0 0 0 小时) 中含钨铌t i a i 合金的组 织变化规律和性能变化规律。需要特别注意b 2 + c o 偏聚物的变化关系特点及 力学性能变化的关系。 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 1 1 0 2 课题研究内容 块状b 2 和相的有序相共生现象明显损害了t i a i 合金在室温的塑性和 疲劳强度。但是，它们的出现对塑性变形，拉伸强度，疲劳裂纹的萌生和扩 展的影响还有待考察。所以开展对在1 2 6 0 0 c 和1 3 4 0 0 c 下进行热处理的两种 状态合金的热暴露( 在7 0 0o c 空气) 处理，包括( o ，1 0 0 0 ，5 0 0 0 及1 0 0 0 0 小时) 并进行一系列的力学性能测试，包括拉伸测试、s - n 疲劳强度测试。并且利 用s e m 、t e m 等方法，对不同阶段的样品开展显微分析，包括微区的成分分 析、相体积分数的定量统计。特别注意分析b 2 + t o 偏聚物在长期热暴露过程 中的相变。 1 1 0 3 拟解决的关键问题 n b + w 合金中广泛存在着b 2 + 日。的有序相共生和某些独有的特征。因此本 实验室着重对b 2 和的形成机制，包括晶体学特征，相稳定性，与其它相 的关系，同时定量研究b 2 和的形成对t i a i 合金力学性能影响。由于在热 暴露处理中，会导致发生啦竹一b 2 + 和a 2 - - - b 2 + t o 的相变反应，因此实验着 重研究含铌钨t i a l 合金中b 2 + t o 偏聚物的含量对热稳定性的影响。 西南交通大学硕士学位论文第1 8 页 第二章实验步骤与方法 2 1 试样制备 实验用材料为t i - 4 4 a i - 5 n b - 0 8 5 w - 0 8 5 b 合金( a t ，原子分数) ，经二次真 空电弧重熔，然后利用冷壁坩埚磁悬浮熔炼炉在保护气氛中重熔，制成 q o l o o m m 的铸锭。随后进行热等静压处理，热等静压制度为1 2 6 0 0 ( 2 ，1 5 0 m p a ， 4 h ，随炉冷后得到致密的全片层组织( 合金7 b ) ，此外，对部分铸锭采用制度 为1 3 4 0 0 c ( a 单相区温度) ，1 5 0 m p a ，4 h 的热等静压的处理，目的是想消除b 2 + ( o 偏聚相( 合金7 8 4 0 ) 。两种处理状态下合金的有关统计数据列于表2 1 。用 电火花线切割方法从铸锭上取下样品，置于空气流通炉中，在7 0 0 0 c 温度分 别进行时间为1 0 0 0 ，5 0 0 0 ，1 0 0 0 0 小时0 1 ) 的热暴露处理。全过程温度由热电 偶控制。 表2 1 ，合金成分，晶粒尺寸和偏聚相含量 t a b l el ，a l l o yc o m p o s i t i o n s ，c o l o n ys i z ea n dv o l u m ef r a c t i o no f b 2 + t o 2 2 力学性能测试 2 2 1 拉伸性能 拉伸性能测试采用圆柱状拉伸试样，测试部分尺寸为母3 9 9 m m x 2 3 m m 。 室温拉伸实验在w d w 3 1 0 0 微机控制电子万能试验机上进行，应变速率为 西南交通大学硕士学位论文第1 9 页 0 7 x 1 0 4 s 。得到应力应变曲线，从应力应变曲线上求出最大抗拉应力( t s ) ， 0 2 条件屈服强度极限( o 2 p s ) ，以及断裂时的塑性延伸率( e t 哟。 2 2 2 疲劳性能 室温下四点弯曲疲劳试验在p l g 1 0 0 型微机控制高频疲劳实验机上完成， 采用横截面为l o x l o m m 的块状样品，如图2 - 1 所示。测试样品的尺寸为 8 0 x 1 0 x 1 0 m m 3 ，样品的最大受载荷表面被抛光至1 岬。疲劳在室温下进行， 试验频率约为r = 1 0 0 h z ，试验测试跨距l 为2 0