（材料加工工程专业论文）离心力场对急冷tial基合金组织和性能的影响.pdf

山东理t 大学硕士学位论文摘要 摘要 本文利用离心铸造的方法，在金属型中浇铸了目标成分为t i 4 8 a 1 2 c r 2 n b ( a t ) 的t i a l 基合金，随后对其进行热等静压( h i p ) 处理( 1 2 7 0 1 7 3 m p “ 4 h r ) 。在确保合金中各元素分布均匀性的前提下，研究了快速冷却t i a l 基合 金晶粒尺寸和片层间距的变化规律，h i p 工艺对其析出相尺寸的影响，以及 t i a l 基合金的显微硬度和耐磨性能。 t i a l 基合金的成分分布研究结果表明，熔炼过程中a l 元素将产生一定的 挥发，使得合金中a l 元素含量略低于目标成分，而离心力场对成分均匀性无 明显影响。 研究结果表明，快速冷却条件下t i a l 基合金的晶粒尺寸变化和片层间距 变化，以及h i p 工艺对其析出相尺寸的影响都呈现一定的规律性。样品横截面 边缘区域的品粒尺寸最小，最大尺寸晶粒出现在过渡区域内，片层间距和h i p 过程中析出相在截面内的尺寸变化符合抛物线规律。 金属型离心铸造t i a l 基合金内部存在难以消除的微观缩松，铸态样品横 截面内的显微硬度分布不存在明显的规律性。h i p 工艺明显减小了样品横截面 的显微硬度平均值，且呈现出较强的规律性，表现为中心区域附近较高，而边 缘区域较低。 耐磨性能研究结果表明，在5 0 n 1 0 m i n ( 载荷设定为5 0 n ，磨损时间设定 为l0 m i n ) 和1 0 0 n 5 m i n 实验条件下，铸态样品的摩擦系数为0 1 4 0 ；经h i p 处理后，在5 0 n 1 0 m i n 和1 0 0 n 3 m i n 实验条件下，材料的摩擦系数为0 1 5 8 。 h i p 对t i a l 基合金摩擦系数的影响，可归结为两方面的原因：一是消除了铸 件内部的微小缩松，提高了材料的致密度；二是显微组织结构由全片层向双态 结构的转变对其耐磨性能的影响。 关键词：t i a i 基合金；组织；离心力场；热等静压 山东理工人学硕上学位论文abstract a b s t r a c t t i 一4 8 a 1 2 c r 一2 n b ( a t )s p e c i m e n s w e r ep r e p a r e d b y p e r m a n e n tm o 】d c e n t r i f u g a lc a s t i n ga n dt h e nh o ti s o s t a t i cp r e s s e d ( h i p ) a t12 7 0 17 3 m p a 4 h r s b a s e do nt h eu n i f o r me l e m e n t sd i s t r i b u t i o ni nt i a l - b a s e da l l o v ，t h ev a r i a t i o n so f g r a i ns i z ea n dl a m e l l a rs p a c e ，t h ee f c to fh i po np r e c i p i t a t i o no f 丫- p h a s e ，a sw e l l a st h em i c r o h a r d n e s sa n dt h ew e a rr e s i s t a n c eo ft i a l - b a s e d a l l o y w e r e i n v e s t i g a t e d r e s u l t sr e g a r d i n gt h ed i s t r i b u t i o no fe l e m e n t si nt i a l - b a s e da u o ys h o w e d t h a tt h ec o n t e n to fa 1w a sal i t t l el o w e rt h a nt h et a r g e tc o m p o n e n td u et ot h e v o l a t i l i z a t i o nd u r i n gt h em e l t i n gp r o c e s s ，w h e r e a st h ec e n t r i f h g a lf i e l dh a ds l i g h t e f f e c to nt h eu n i f o r m i t yo fc o m p o s i t i o n a l s o ，i ti n d i c a t e dt h a tt h ev a r i a t i o n so fg r a i ns i z ea n dl a m e l l a rs p a c e ，a s 、v e l l a st h ee f f e c to fh i po np r e c i p i t a t i o no f 丫- p h a s ef o l l o w e dc e r t a i nr e g u l a t i o n ，w h i c h w a sc h a r a c t e r i z e db yt h em i n i m u mg r a i n se x i s t i n gn e a rt h eb o u n d a r ya n dt h e m a x i m u mo n e si nt h em e d i a lr e g i o nf o rt h es e l e c t e ds p e c i m e nc r o s s - s e c t i o n i n a d d i t i o n ，t h ev a r i a t i o n so fl a m e l l a rs p a c ea n d 丫- p h a s es i z ew e r ep a r a b o l i c i n v e s t i g a t i o no nt h ed i s t r i b u t i o no fh a r d n e s si na s c a s ts a m p l ed i dn o ts h o w a no b v i o u sr e g u l a t i o nw h i c hc o n t r i b u t e dt ot h ee x i s t e n c eo fm i c r o p o r o s i t i e s f o r m e dd u r i n g p e r m a n e n tm o l dc a s t i n ga n dw a sv e r yd i m c u l t t oe l i m i n a t e c o m p l e t e l y a na b o v i o u sd e s c r e a s e m e n ti nt h eh a r d n e s sc o u l db eo b s e r v e di n h i p e ds a n l p l ea n dt h ed i s t r i b u t i o na l s os h o w e dc e r t a i nr e g u l a t i o n ，w h i c hw a s c h a r a c t e r i z e db yh i g h e rh a r d n e s sv a l u ea p p e a r e di nt h ec e n t e rr e g i o na n dl o w e r o n ei nt h eb o u n d a r yr e g i o n t e s to nt h ew e a rr e s i s t a n c eo ft i a l - b a s e da l l o ys h o w e dt h a tt h ef r i c t i o n c o e f n c i e n t o fa b o u to 14 0f 6 rt h ec a s t s p e c i m e n su n d e rt h ec o n d i t i o no f 5 0 n 1o m i n ( t h el o a d i n gw a s5 0 na n dt h et i m es p a nw a s10 m i n ) a n d10 0 n 5 m i n f o rt h eh i p e do n e s ，t h ef r i c t i o nc o e 伍c i e n ti n c r e a s e dt oo i5 8w h e nt h et e s t sw e r e p r e f o r m e da t5 0 n l0 m i na n d10 0 n 3 m i n t h ei n c r e a s e m e n ti nf r i c t i o nc o e f n c i e n t a t t r i b u t e dt ot h ee f i f e c to fh i po nt h ed e n s i t y ，w h i c hw a sc h a r a c t e r i z e db vt h e e l i m i n a t i o no fm i c r o p o r o s i t i e sa n dt 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 nf r o mf u l l y l a m i n a rt od u p l e x s t r u c t u r e k e yw o r d s ：t i a l - b a s ea l l o y ；m i c r o s t r u c t u r e ；c e n t r i f u g a lf i e l d ；h i p h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 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作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：张怎敏 时间： 山。罗年多月夕日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时间：功谚年占月厅日 时间：妒瑶厶矽日 山东理工人学硕士学位论文 第章绪论 1 1 选题意义 第一章绪论 t i a l 基合金具有高的比强度和比模量，并具有良好的抗蠕变、抗氧化和 抗氢脆能力，是一种极具潜力的轻型高温结构材料，在航空航天领域中得到一 定的应用。随着t i a l 基合金向民用领域的逐步应用，其成分、组织、性能之 间的关系急需深入细致的研究。 铸造丫t i a l 的密度仅3 9 9 c m 3 ，蠕变和疲劳性能与i n 一7 5 1 相当，是较为 理想的汽车排气门结构材料。其主要优势表现为气门自身的减重( 约5 0 ) 以 及优异的高温强度，进而降低发动机噪音和提高燃料的燃烧效率。 合金的性能取决于其自身的组织，而合金的显微组织又取决于铸造方法。 金属型离心铸造方法具有成本相对较低，生产周期短，铸型使用寿命长和可实 现近净成型等优点，是迄今为止适于t i a l 基合金铸件进行大批量生产较为理 想的方法。实践证明金属型离心铸造t i a l 基合金具有优异的综合性能。由于 t i a l 基合金凝固区间较窄，金属型的导热能力强，故合金的凝固速度非常快。 离心力场下特有的充型及凝固过程，使得合金显微组织结构与其他成形方法相 比存在一定的差别。离心力场的施加使得棒状铸件的组织在横截面上不具有轴 对称性，且铸件在横截面上不再具有传统意义上的三个晶区，这些改变对其使 用性能将产生一定影响。 1 2t i a l 基合金研究现状 丫t i a l 金属间化合物的密度仅为镍基高温合金的1 2 左右，而高温力学性 能却与之相近，因此是一种很有应用前景的高温结构材料【l 。5 】。作为结构材料 使用的t i a l 系金属间化合物主要有三种：伐2 t i 3 a l 、7 t i a l 和6 t i a l 3 ，其中综 合性能最好的是y t i a l 合金，目前普遍认为它完全有潜力替代7 0 0 9 9 0 上使 用的镍基高温合金，可以使航空发动机构件重量减轻约1 2 ，因而引起广泛重 视，成为t i a l 合金研究中的焦点。 丫一t i a l 基合金具有良好的物理和机械性能，与普通的钛合金和高温合金相 比具有明显的优势【6 。9 】( 表1 1 ) 。表1 1 给出了t i a l 系金属间化合物( 0 【2 t i 3 a l 和y t i a l ) 的主要高温性能。可见除塑性外，t i a l 系金属问化合物的各方面 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 性能均高于t i 合金，特别是丫t i a l 的密度小( 仅有3 9 9 c m 一，不到n i 基超合 金密度的一半( 8 3 9 c m 。3 ) ) ，其它性能又与之接近，这对于航空材料有十分重 要意义。由于共价键的作用使与扩散有关的高温性能，如蠕变、持久强度和断 裂韧性等性能都得到改善，同时作为铝化合物 r - t i a l 还具有优异的抗高温氧 化性能和耐腐蚀性能，所以y t i a l 金属间化合物是很有潜力的高温结构材料。 表1 1 丫t i a l 基合金与a 2 t i 3 a 1 基合金、t i 基合金、超合金的性能比较6 】 性能t i 一基 a 2 t i 3 a l 基丫t i a l 基 n i - 基 密度，g c m 3 4 5 44 1 5 - 4 73 7 6 3 。9 8 3 模量，g p a9 6 1 1 01 1 0 1 4 51 6 0 1 8 02 0 7 蠕变极限，5 4 07 3 01 0 3 81 0 9 0 氧化极限，5 9 07 0 51 0 3 81 0 9 0 室温延性， 1 52 41 33 1 0 高温延性， 1 5 5 01 0 2 0 6 6 01 0 6 0 0 8 7 02 0 8 0 8 7 0 9 0 0 模量，g p a 9 0 1 1 01 4 01 4 0 1 5 0 疲劳寿命，h r ( 2 7 0 m p a 7 6 0 ) 2 07 5 2 6 06 0 拉伸强度，m p a4 8 0 1 2 0 08 0 0 1 1 4 04 5 0 7 0 01 2 5 0 1 4 5 0 屈服强度，m p a3 8 0 1 1 5 07 0 0 9 0 04 0 0 6 3 08 0 0 1 2 0 0 1 2 1t i a i 基合金晶体结构 丫t i a l 基合金具有l 1o 型晶体结构，p e a r s o n 符号是t p 4 ，空间群为p 4 m m m ， 其点阵结构示意图如图1 1 ( a ) 所示。它是由在 0 0 1 】方向上只有a l 原子或者 只有t i 原子组成的原子面交替重叠排列而成。【1 0 0 、 0 1 0 】方向上的点阵常数 与 0 0 1 】方向上的不同，其点阵常数随a 1 含量和合金元素的加入在以下范围内 变化：a = o 3 9 7 0 4 0 1 n m ，c = 0 4 0 4 o 4 0 8 n m ，c a = 1 0 1 1 0 5 。对于非化学计量比 的丫相，多余的t i 原子或a l 原子占据另一原子的位置，不产生空位。 尽管早期对丫t i a l 合金变性行为的研究集中在高a l 的单相材料，但h u a n g 及其合作者的研究工作表明贫a l 的两相合金能够提高y t i a l 合金的塑性。目 前具有实用化前景的丫t i a l 基合金是由a 2 t i 3 a l 和丫t i a l 两相组成的双相合 金。当合金中存在少量a 2 相时，氧和碳等杂质较多地溶解在0 【2 相中，从而提 高丫相的纯度，于是提高丫基体合金的室温变形能力。a 2 相具有d 0 1 9 型晶体 2 山东理工大学硕上学位论文 第章绪论 结构，a = o 5 7 8 2 n m ，c = o 4 6 2 9 n m ，其晶体结构示意图如图1 1 ( b ) 所示。 l _ 一a 一 ot i a l 互ll o 卜a 一2 l l o 口 ( a )( b ) ( a ) 丫一t i a l 的有序面心立方l 1o 结构 ( b )a 2 - t i 3 a l 的有序六方d o l 9 结构 图1 1 晶体结构 一般来说，富t i 的双相合金由两相( 付a 2 ) 片层组织构成，在层状组织 中，板条状的丫t i a l 和q 2 t i 3 a l 相之间大体上相间排列，它们具有下列取向关 系：( 1 11 ) ，( 0 0 0 1 ) 。2 ， ， 。2 。具有六角d 0 1 9 结构的t i 3 a l 相其 基面上的三个 方向是等价的；而具有四方结构的t i a l 相其( 1 1 1 ) 平 面上的 1 t o 】方向和另外两个 方向是不等价的。丫板条之间存在三种取 向关系，即：孪晶关系( 18 0 0 旋转孪晶) ，1 2 0 0 旋转畴，伪孪晶关系( 6 0 0 旋转 孪晶) 。真孪晶关系时，所有原子的位置和种类都是孪晶对称的；伪孪晶关系 时，原子的位置是严格的孪晶对称，但原子种类不符合严格的孪晶对称要求。 因a l 的p 电子与t i 的d 电子的杂化作用，丫t i a l 相的键性具有某些定向的共 价键特征，比如在只含t i 原子的( 0 0 1 ) 原子层，t i 原子间沿 方向具有 明显的极性键合，而t i 原子层间沿 方向极性更强。这种极化作用的结果 导致了t i 与a l 原子层之间很强的键合力。7 一t i a l 相中t i 与a l 之间的强键合 使得扩散激活能提高，这有利于合金的高温强度和蠕变性能，特别是扩散控制 的蠕变，这也是丫t i a l 合金在高温具有优异的室温强度保持性和蠕变性能的 原因。同时，t i 与a 1 之间的强键合使得y t i a l 合金具有高的室温刚性和刚性 的高温保持性。但是，这种强键合和键合的方向性也导致了7 - t i a l 合金低的 室温塑性和韧性。 t c 上汕一 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2t i a l 基合金的典型组织与性能关系 ( 1 ) 典型组织 单相y t i a l 合金的塑性和断裂韧性很差，而由丫相和伐2 相组成的双相t i a l 合金的综合性能有很大的提高余地，因此研究主要集中在双相合金上，研究的 目标是通过改善合金的组织和成分来提高合金的机械性能，包括塑性、强度、 断裂韧性、蠕变抗力等【1 0 1 3 】。 根据t i a l 合金二元相图( 图1 2 ) 【h 】，工程合金的成分主要集中在t i 4 6 4 9 a l 的范围内，当该成分范围内的合金被加热到1 0 0 0 以上时，经历三个 相区：q 2 岬一仅q _ a ，a 单相区的范围一直扩展到1 4 7 0 。因此用不同的加工 工艺和在不同的相区进行热处理，可以得到不同的组织。 p 、 堪 赠 图1 2t i a l 合金二元相图【1 4 1 1 ) 铸态组织 铸态组织通常较为粗大，并存在由铸模向铸锭心部生长的柱状晶。先共晶 的片层组织被富a 1 的丫相包围。 2 ) 双态组织 在仅+ 丫两相区内体积分数大致相等的温度( 约为t a 6 0 ) 处进行热处理 可以获得双态组织。热处理温度下得到的是等轴0 【和y 两相，u 为高温无序相， 经空冷火炉冷发生共析反应得到仅2 丫片层团，最终得到等轴丫加a 2 丫片层团 构成的双态组织。由于0 【和丫两相在热处理时相互钉轧，晶粒长大速度较慢， 所以双态组织的晶粒尺寸一般较小( 1 0 m 5 0 “m ) 。 3 ) 近全片层组织 在略低于0 【转变温度( 约为t a 1 0 ) 的0 c 竹两相区进行热处理，经炉冷 4 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 或空冷均可得到由0 2 丫片层团和少量分布于片层团之间的等轴丫晶组成的近全 片层组织。由于 r 相的量较少，对c 相的钉轧作用较弱，所以产生的片层团较 大( 2 0 0 “m 5 0 0 “m ) 。丫相晶粒一般小于2 0 “m 。热处理温度越远离t 口，片层 团尺寸越小，但y 相晶粒越多。 4 ) 等轴近y 组织 在略高于共析温度的0 【+ 丫两相区进行热处理，得到接近完全等轴丫晶粒的 组织，通常还含有少量的晶界细小0 【相颗粒。晶粒度一般较小，调整热处理温 度了获得更细小的晶粒。 5 ) 全片层组织 在略高于a 转变温度( 约为t a + 2 0 ) 的温度进行热处理，高温下的a 相 经炉冷可以得到完全由0 【2 y 片层团构成的全片层组织。因为处理温度较高，而 且没有y 相的钉轧，0 【相晶粒长大速度很快，所以全片层组织的晶粒一般较为 粗大，铸态全片层合金的晶粒尺寸多在6 0 0 1 0 0 0 “m ，合理地选择热加工及热 处理工艺可以将变形全片层组织的晶粒细化。 ( 2 ) 组织性能关系 研究发现，双相t i a l 合金的性能取决于显微组织【1 5 。1 8 】。t i a l 合金典型组 织与力学性能之问的关系是：细小的双态组织具有最高的拉伸塑性( 2 4 ) 及中等的强度水平( y s = 4 2 0 4 6 0 m p a ，u t s = 5 5 0 6 6 0 m p a ) ，但断裂韧性很 低( k i c = l o 1 6 m p a m 1 2 ) 、蠕变抗力较差；粗大的全层片组织强度低、塑性 差( 约1 ) ，但具有较高的断裂韧性( k i c = 2 0 3 2 m p a m 2 ) 和蠕变抗力；近 层片组织强度较高( y s = 5 l0 m p a ，u t s = 7 0 0 m p a ) ，塑性居中。对比双态组织 与全层片组织的力学性能可知，t i a l 合金的拉伸塑性和断裂韧性之间呈现的是 有别于一般金属材料的反常关系。 t i a l 合金室温拉伸性能与断裂韧性间的反常关系主要是由t i a l 合金中裂 纹扩展阻力与晶粒片团尺寸等特殊关系产生的。通常情况下，全层片组织层 片团尺寸较大，裂纹尖端的应变区可存在于一个层片团内。由于丫0 【2 层片结构 变形性能具有强烈的各向异性，在软取向下能够发生显著变形，因而裂纹尖端 发生局部屈服所产生的较大应变能对裂纹扩展构成巨大阻力，使得全层片组织 断裂韧性高；但各向异性较强的粗大层片团在拉伸时应变协调性很差，拉伸塑 性较低。而双态组织晶粒、层片团尺寸小，变形时应变协调较好，有较好的拉 伸塑性；但在平面应变条件下裂纹尖端应力场一般跨过多个晶粒片团。裂纹 尖端的变形区因包含几个晶粒而发生一般屈服变形，由于双态组织的室温拉伸 塑性一般也仅在5 以下，所能产生的变形能较低，故双态组织对裂纹扩展的 阻力较小。 山东理丁大学硕士学位论文第一章绪论 这些组织性能关系的研究说明，y t i a l 基合金的室温断裂韧性强烈依赖于 层状组织的体积分数，随着层片组织的体积分数的增加，材料的断裂韧性明显 提高。随着层片团尺寸的减小，全层片显微组织断裂韧性有所降低，但塑性显 著提高。因而，这种反常关系的解决途径可以是细化全层片组织。 有研究表明【l9 1 ，全片层组织的室温强度与晶粒尺寸和层片间距均呈h a l l p e t c h 关系，即晶粒尺寸和层片间距越小，室温强度越高；此外，晶粒尺寸越 小，室温延性越高。在此基础上，k i m l 2 0 】归纳了具有较好综合力学性能的丫一t i a l 基合金的显微组织特征( 表1 2 ) 。 表1 2y t i a l 基合金的最优化显微组织特征【2 0 】 参数形态和尺寸 类型 a 2 一r a t i o ( v 0 1 ) 晶粒尺寸 片层间距 晶粒边界 其他 全片层 0 0 5 0 3 4 0 3 0 0 “m 1 1 5 “m 锯齿状，不粗化 具有各项异性的织状结构 虽然通过对丫一t i a l 基合金显微组织的控制和优化，可以基本解决其拉伸 强度、塑性与断裂蠕变抗力成反比关系的缺陷，但阻碍丫t i a l 基合金实用化 的致命缺点还包括：较低的室温塑性及伴随而来的成形性差，对于1 0 0 0 以 上使用的高温部件具有相对较低的高温强度，以及8 0 0 以上的抗氧化性能不 足等。目前，改善丫t i a l 基合金的室温塑性有以下几种途径【2 1 2 2 】：1 ) 改善微 观组织结构，主要包括控制合金成分、细化合金的晶粒尺寸和提高合金纯度等； 2 ) 合金化及微合金化；3 ) 完善制备工艺；4 ) 降低环境脆性；5 ) 在基体中加 入塑性粒子或塑性纤维等。高铌丫一t i a l 基合金的研究，有望克服其1 0 0 0 左右 高温强度不足的缺陷，使得丫t i a l 基合金应用于1 0 0 0 高温从而替代n i 基高 温合金成为可能。而在提高高温抗氧化性方面，重点是对y t i a l 基合金进行 合金化和表面处理。 1 2 3t i a i 基合金化学成分对性能的影响 ( 1 ) 合金元素对晶体结构的影响 合金元素对性能的影响与添加元素在t i a l 合金中的原子占位及对晶格参 数的影响有关。添加的合金元素般会占据y t i a l 点阵结构的t i 位或a 1 位， 根据t i a 1 一x 三元相图中单相区的走向，可以判断有3 类合金元素( 表1 3 ) 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 2 3 粕】。但是每个研究者得到的结论并不总是完全一致，杨锐等人2 3 1 认为m n 占据t i 位，而w 6 l 一2 5 1 认为m n 占据a l 位。 表1 31 ，t i a l 中合金元素的原子占位情况【2 3 扔】 由于原子特征参数不同，添加合金元素会在一定程度上引起丫相的晶格畸 变，对丫t i a l 的点阵常数产生影响。另外，晶格参数还受到材料的纯度、制 备工艺、热处理状态等因素的影响，因此不同的研究者测定的结果不完全一致。 一般来说，丫t i a l 晶胞的轴比c a = 1 0 1 1 0 3 ，随着a 1 含量的升高，a 降低， c 升高，c a 升高，认为其原因与形成换位缺陷有关。降低c a 和单胞体积能够 提高合金的塑性。c a 值减小能增强晶体的各向同性，降低普通位错l 2 1 1 0 】 与超位错 1 0 l 】之间的可动性差异，有利于塑性改善。单胞体积降低能增强 t i a 1 原子间的相互作用，可有效地减弱共价键性，达到改善塑性的目的。表 1 4 总结了合金元素对t i a l 合金y 相晶格参数的影响。 研究1 3 1 ，32 j 表明，v 、c r 和m n 元素的添加会导致t i a l 合金电子浓度的提 高，使成键电子云的球形化程度增大，增强了金属键，从而达到了改善合金塑 性的作用。张瑞林等人【28 】采用电子理论计算了m n 对t i a l 合金价电子结构的 影响，也得到了相似的结果，认为m n 占据a l 原子位置，削弱了a 1 a 1 共价 键，便干开动位错并通过降低层错能诱发孪晶，使t i a l 合金塑性有很大改善。 n b 元素占据t i 原子位置，在t i a 1 n b 合金中，共价键最强的仍是最近邻的 原子对：t i n b 1 1 0 】，t i a l 0 1 1 】，a 1 a l 1 1 0 】和a 1 n b o 5 ( 原子) 可细化晶粒，提高强度及热加工性，b 合金化极大 的改善铸造性能。 c明显改善抗蠕变性能，但对塑性不利。 e r 改变变形亚结构，提高单相1 ，的塑性。 o 铸造合金含氧量从8 0 0 l o 巧提高到11 0 0 1 0 6 时提高蠕变强度而不 损害塑性。 9 山东理丁大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) a l 含量对力学性能的影响 一般来说，不同a l 含量的t i a l 基合金的连续冷却转变( c c t ) 曲线是 不一样的，例如：对于铸态合金，在相同热处理条件下，不同a l 含量的t i a l 基合金所得到的最终组织是不同的。富t i 的t i a l 合金的铸态组织是由层状组 织晶粒和少量等轴丫晶粒组成，随着a l 含量的下降，等轴丫晶粒消失，只剩 下丫0 【2 片层组织。对于t i a l 合金，a l 含量在( 4 7 4 8 ) a t 时其综合机械性能 较好。随着a l 含量增加，合金的最小蠕变速率也随之增加，而且随着a l 含量 增加，晶粒尺度对蠕变性能的影响趋于不明显。 a l 含量对性能的影响主要归结为： 1 ) 随着a l 含量增加，a 值下降c 值上升，c a 值上升，引起正方度上升； 2 ) 随着a l 含量增加，共价键比例增加而金属键比例下降。 1 2 4t i a l 基合金的变形机制 与其它金属间化合物的形变行为一样，t i a l 合金的塑性变形具有与一般 合金不同的特点，这些特点包括：室温塑性较差，屈服强度对温度及晶体学取 向具有依赖性等等。这些现象与合金各组元的滑移，形变行为有直接的关系。 图1 3 ( a ) 为下相中可能的位错柏氏矢量，由于l 1o 为有序结构，其晶体结构 对称性比立方晶体低，因此除了普通位错 和1 2 外，还存在 和1 2 超位错，其中1 2 ，1 2 和 位错在( 1 1 1 ) 密排面 上滑动，它们参与丫t i a l 的形变。 位错只在高温下存在。除此之外由1 6 1 11 ) 引起的孪晶也对丫t i a l 的塑性变形具有重要意义，如图1 3 ( b ) 所示，在( 1 11 ) 面上三个s h o c k l e y 位错中，只有1 6 11 1 ) 切变不改变 l 1o 有序结构而引起孪晶，1 6 1 11 ) 及l 6 1 11 ) 切变都将导致l 1o 结构的破坏形成反相畴而被禁止，这样l 6 【11 习 1 11 ) 是唯一能够引起孪晶的位 错矢量。 为了降低能量和增加稳定性，普通位错和超位错都倾向于形成不同类型的 位错芯，超位错和普通位错发生分解，产生各种类型的堆垛缺陷。由于l 1 0 具 有四方度，于是在 l 11 面上产生三种不同类型的堆垛缺陷：( 1 ) 超点阵内禀 层错s i s f ( s u p e r l a t t i c ei n t r i n s i cs t a c k i n gf a u l t ) 及外禀层错s e s f ( s u p e r e x t r i n s i cs t a c k i n gf a u l t ) ，( 2 ) 反相畴界a p b ( a n t i p h a s eb o u n d a r i e s ) ，( 3 ) 复 合层错c s f ( c o m p l e xs t a c k i n gf a u l t ) 。这些缺陷的存在对于丫t i a l 的变形产 生很大的影响，是造成丫一t i a l 脆性的原因之一。 1 0 山东理工大学硕七学位论文第一章绪论 【1 0 0 0 ；【i l o 】 一一 一 一 【1 2 l 】【o l l 】 【1 0 1 】 【2 1 l 】 ( a ) 丫单胞中的位错柏氏矢量( b ) 丫相在( 1 1 1 ) 密排面上的位错柏氏矢量 图1 - 3 丫相中可能的位错 近年来的研究表明，1 2 位错滑移和1 6 形变孪生是复相t i a l 基合金室温变形的主要方式。在6 0 0 以下，【0 0 1 】超位错局部分解产生的1 6 位错偶极子，位错偶极子钉扎前者使位错活动能力下降，在6 0 0 以上， 钉扎逐渐消失，到8 0 0 以上时，钉扎完全消失，【0 1 1 】超位错可动性的增加和 孪晶的进一步激活导致合金的塑性显著提高。 图1 - 4 为d 0 1 9 超点阵结构可能存在的滑移系。考虑到在( 0 0 0 1 ) 基面上 有序点阵位错的分解形式，基面上的滑移变得相对困难，从而激发其它滑移系。 在有序状态下，除基面外，其它滑移面诸如 1 0 1 0 、 1 0 1 1 ) 和 1 0 1 2 ) 等柱面以 及锥面也会发生滑移，从而显著改善其塑性。 图1 - 4d o l 9 超点阵结构可能存在的滑移系 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 1 2 st i a l 基合金的制备和成型 生产t i a l 基合金的典型工艺有挤压+ 锻造方法、等温锻造方法、板材叠 轧方法、常规铸造方法和粉末冶金方法。 ( 1 ) t i a l 合金的近净成型 近净成型是制备复杂形状结构件的一种重要的且经济可行的方法。t i a l 基合金的室温塑性和工艺塑性低，对其加工和成型带来了极大难度。近净成型 可有效地解决t i a l 基合金结构件加工和成型的技术难题，因此，近净成型的 t i a l 合金结构件可望优先得到应用。近净成型分为粉末法近净成型和精密铸 造。针对t i a l 基合金填充能力差和铸件中易形成疏松及热裂等缺陷，在铸造 t i a l 基合金的组织控制、性能优化和成型方法等方面开展了大量的研究工作， 制各出多种t i a l 基合金典型结构件【34 1 ，美国在研制出几种铸造t i a l 基合金的 基础上，精密铸造出g e 9 0 低压涡轮叶片和叶轮以及大型的t 7 0 0 压气机鼓筒 和新型发动机验证机扩压器等。在欧州，罗罗公司( r o l l sr o y c e ) 选用相近的合 金致力于结构件的铸造成型工艺研究，成功制备出压气机叶片、低压涡轮叶片 以及其它复杂的结构件。日本在t i a l 基合金精密铸造方面开展了有特色的工 作，开发了一种适用于t i a l 基合金的反压力精铸工艺。反压力精铸工艺有效 地解决了t i a l 基合金因密度低和合金液粘度大而导致填充能力差和易造成疏 松的技术难题，特别适用于精密铸造薄壁和复杂形状t i a l 基合金铸件。 精密铸造t i a l 基合金结构件中不可避免地存在疏松、缩孔、枝晶偏析以 及因铸件各部分凝固速度的差异而产生的组织不均匀等铸造缺陷。粉末法近净 成型技术可以有效地避免上述缺陷，同时与快凝技术结合提高结构件的性能， 为此在t i a l 基合金粉末冶金法制备结构件的成型工艺方面进行了探索性的研 究，如c l e m e n s 等【3 5 】用此方法成功制备出t i a l 基合金汽车发动机进气和排气 阀。如能合理控制杂质污染，这种方法是制备高性能和复杂形状t i a l 基合金 结构件的有效方法。 ( 2 ) 粉末冶金工艺 粉末冶金方法分为预合金粉末和元素粉末法两种。预合金粉末工艺是将采 用超声气体物化等方法制备的t i a l 合金粉末经套装、脱气、密封和热等静压 致密化而制各坯料，然后进行锻造、挤压或轧制得到t i a l 基合金制品。其典 型范例是制备t i a l 基合金板材，不仅降低了制备板坯的成本，而且轧制的板 材组织均匀。元素粉末工艺是将配制好的各种元素粉末混合均匀，冷加工制备 坯料，热等静压或真空烧结合成t i a l 基合金。其优点是元素粉末塑性好，易 于冷加工成型；元素粉末容易得到，因此成本低。其缺点是烧结过程中因产生 1 2 山东理工人学硕士二，：、r ：i 艾 第章绪论 体积膨胀难以达到较高的致密度，制备的合金组织和成分均匀性差。元素粉末 法制备t i a l 基合金方面的主要工作是如何保证合金的组织和成分均匀以及提 高合金的致密度。通过热挤压等方法在实验室规模得到了近全致密的t i a l 基 合金【3 引，但未见工业规模的应用。 ( 3 ) 铸锭冶金工艺 t i a l 基合金铸锭的制备方法与t i 合金相似，主要研究了真空电弧熔炼、 等离子束熔炼和水冷铜坩埚感应熔炼三种工艺【3 7 】。真空电弧熔炼可生产较大 的锭型，如美国熔制了2 吨t i a l 基合金铸锭，但成分均匀性较差且在大直径 铸锭中造成很高的热应力，控制不当甚至使铸锭开裂。等离子束熔炼是制各高 质量t i 合金铸锭的先进技术，其优点是合金铸锭成分均匀性好和可避免高熔 点夹杂。l o r e t t o 等【3 8 】详尽地研究了等离子束熔炼工艺对t i a l 基合金铸锭成分 均匀性的影响，发现预制电极的合金元素分布均匀度直接影响铸锭的成分均匀 性，经工艺优化其铸锭的成分均匀性优于真空电弧。三种熔炼工艺中，水冷铜 坩埚感应熔炼制备的铸锭成分均匀性最好，但炉子容量较小，适于生产小规格 的铸锭或用于精铸结构件。 适用于破碎t i a l 基合金铸造组织的工程化热加工工艺主要为：等温锻造、 近等温锻造和近等温挤压。热加工前需对坯料进行均匀化处理，研究表明其理 想的均匀化处理温度在t a 2 5 到r 之间。等温锻造一般用m o 合金作上下模， 模子与坯料预热到相同的温度。锻造参数为：温度11 2 5 1 2 0 0 ，名义应变速 率0 0 0 1 o 0 1s ，压缩形变率为6 5 8 5 。该工艺条件保证了铸锭有足够的工艺 塑性，成功对几百公斤t i a l 基合金铸锭进行了开坯，并等温模锻出典型结构 件。等温锻造的坯料中约有5 0 的层片组织动态球化，组织均匀性较差。为提 高动态球化率，研究了在锻造过程中暂短停留( 约15 分钟) 或采用两次锻造的 方法，得到组织均匀的锻坯。包套锻造和包套挤压是t i a l 基合金铸锭开坯的 有效方法。包套的形状设计和隔热层材料的选择是保证其成型性的技术关键之 一。温度场模拟表明s i 0 2 纤维布是一种理想的隔热层材料，可保证t i a l 基合 金坯料形变过程中处于近等温状态。近等温锻造一般在温模( 约2 0 0 ) 和名义 应变速率0 1 1 s 。1 条件下进行；近等温挤压的挤压速度控制在1 5 5 0 m i l l s 和挤 压比4 ：1 12 ：1 。在此条件下，成功进行了t i a l 基合金铸锭的开坯，其组织均匀 性优于等温锻造。 ( 4 ) t i a l 基合金板材制备 t i a l 基合金板材制备工艺难度大、几乎包容了形变t i a l 基合金的主要加 工工艺，美、欧和日本等发达国家开展了大量研究工作。早在九十年代，奥地 利攀石公司即开展了t i a l 基合金板材的成型工艺研究，通过铸锭冶金工艺 1 3 山东理_ 丁大学硕士学位论文第一章绪论 ( i m ) ，经优化工艺参数，成功轧制出表面质量合格的几种t i a l 基合金板材。 近年来在美国h s r 材料研究计划的支持下，通过粉末冶金工艺( p m ) 成功研 制出组织均匀、表面质量合格的第二代t i a l 基合金薄板材。铸锭冶金工艺轧 制的板材中存在难以消除的组织不均匀性缺陷，且成品率低、成本高；而粉末 冶金工艺制备的板材组织均匀、成品率高、成本相对较低，美国利用热叠轧技 术研制出7 0 0 x4 0 0 m m 的第二代t i a l 基合金薄板材；德国可稳定生产7 5 0 3 5 0 1 0 m m t i a l 基合金板材，最大尺寸可达1 6 0 0 4 0 0 1 0 m m ；奥地利攀石公 司可轧制出标准尺寸10 0 0 5 0 0 1 。o m m 和最大尺寸2 0 0 0 5 0 0 1 o m m t i a l 基合金板材；同时，日本和俄罗斯等国采用等温轧制技术亦开展了t i a l 基合 金板材的研制工作。 1 2 6t i a i 基合金的发展趋势 尽管丫t i a l 基合金作为高温结构材料轻量化的杰出代表取得了长足的发 展和进步，但对它的研究尚不完善。要实现丫t i a l 基合金的广泛应用还需着 重加强以下几个方面的研究。 ( 1 ) 发展以高铌合金化为代表的丫t i a l 基合金。高含量难熔金属元素的 加入可显著提高y t i a l 基合金的高温性能，但需要解决的关键问题是其较低 的室温塑性和较差的成形性能。 ( 2 ) 发展以丫t i a l 合金为基的复合材料。丫t i a l 基复合材料的研究开发， 是有效克服其性能缺陷、提高高温性能并促进其实用化的重要途径和必由之 路。除了传统意义上的连续纤维增强和陶瓷颗粒增强丫t i a l 基复合材料外， 将y t i a l 基合金与其它韧性金属或者合金叠加得到复合微叠层材料将拥有广 阔的发展前景，而解决其制备技术是关键。 ( 3 ) 将纳米技术引入丫一t i a l 基合金的研究中。细化晶粒是提高丫t i a l 基 合金室温塑性、提高强度的一个十分有效的途径，而无论是直接将丫一t i a i 基 合金的晶粒尺寸细化至纳米尺度还是将纳米尺度的增强相( 主要是陶瓷颗粒) 引入丫t i a l 合金基体中，都可望为丫t i a l 基合金的应用开辟新的天地。 ( 4 ) 加强单晶及类单晶丫t i a l 基合金的研制。与普遍的多晶丫t i a l 基合 金相比，单晶及类单晶丫t i a l 基合金具有良好的塑性，可望在短期内获得实 际应用。 ( 5 ) 完善丫t i a l 基合金薄板的制备技术。作为y t i a l 基合金广泛应用的 关键技术之，制备丫。t i a l 基合金薄板目前尚存在许多技术难点。 ( 6 ) 加强对y t i a l 基合金微观层次