气体氮化γ-TiAl合金的抗高温氧化性能研究

γ-TiAl基合金抗高温氧化性较差限制了其在高温场景下的应用,提高其抗高温氧化性能对高温合金的研究与应用具有重要意义。以Ti-48Al-2Cr-2Nb合金为研究对象,将其置于管式炉中分别在800、900、1000℃下进行气体氮化2 h。采用光学显微镜观察显微组织,采用X射线衍射仪分析物相组成,测试维氏硬度,分析900℃下的高温氧化行为。结果表明,随着氮化温度的升高,合金基体片层组织逐渐粗化,表面膜层增厚,维氏硬度升高。在空气中高温氧化128 h后,800℃和900℃氮化后样品的质量增加仅为未氮化样品的25.3%和28.9%,表明800℃和900℃氮化后的样品具有良好的抗氧化能力。由于1000℃氮化样品因膜层存在裂纹,高温氧化时膜层和基体会与氧发生反应生成氧化物,导致质量增加显著。900℃下氮化处理能够显著提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的表面维氏硬度,增强合金的抗氧化能力。

大尺寸锻造β型γ-TiAl合金的显微组织与力学性能分析

β型γ-TiAl合金被广泛应用于复杂零件的制备,但在大尺寸单向锻造过程中显微组织和力学性能表现出显著的不均匀性。通过扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射(EBSD)和X射线衍射(XRD)分析了合金的显微组织,关注大尺寸锻造的高β相含量Ti-43Al-9V-0.2Y合金的显微组织和力学性能。研究表明,V元素的添加提高了合金的β相含量,增强了热变形能力。锻造技术在有效变形区形成了细小的等轴晶粒组织,而变形死区则仍保留了部分原始层片结构,中心区域的细小等轴晶粒赋予了合金优异的室温性能,尤其是1.42%的室温塑性。高温力学性能分析显示,Ti-43Al-9V-0.2Y合金在700~750℃范围内经历韧脆转变,在脆性断裂温度下具有较高的强度,主要变形机制为加工硬化。在韧性断裂温度下,合金展现出良好的塑性,主要通过动态再结晶和微孔协调变形来实现。

γ-TiAl合金钎焊用钎料设计及接头组织研究

γ-TiAl合金是一种极具应用潜力的金属间化合物材料,采用所设计的Ti-15.6Zr-11.0Cu-9.8Ni(质量分数,%)钎料对其进行钎焊,分析接头组织形貌及元素分布,测试接头微区的显微硬度及接头强度,得出Al元素向界面发生扩散成为界面形成的主要驱动力;钎料元素Zr、Cu和Ni主要集中在近邻界面中心的部位。归因于晶粒组织粗大及硬度较高的网格状组织,钎焊断裂发生在界面中心部位。尽管界面靠近基体一侧出现了连续的Ti3Al相,但其塑性较好且硬度适中,因此有利于基体与界面之间力的传递和接头韧性。对接接头抗拉强度在室温下达到517 MPa,强度系数0.816。

铸造γ-TiAl合金晶粒细化方法研究进展

γ-TiAl合金因其低的密度、高的强度、优异的高温性能,是具有良好应用前景的新型轻质高温结构材料。γ-TiAl合金可部分替代Ni基高温合金,目前已应用于飞机发动机热端部件如低压涡轮叶片、气门阀、汽车发动机排气阀等热端构件。随着现代工业高速发展,未来高温部件的服役环境越发苛刻,超越现有γ-TiAl合金服役温度、改善室温和高温力学性能仍是具有挑战性的前沿课题。本文综述了铸造γ-TiAl合金凝固特点和近年来晶粒细化研究进展。从合金成分角度,探讨了凝固组织析出规律及形成微观偏析的影响因素。同时,针对微观偏析和晶粒粗大等问题,详细总结了γ-TiAl合金的晶粒细化方法。最后介绍了借助亚稳组织细化晶粒的新方法及影响因素,并提出了现有细化方法面临的问题,为γ-TiAl合金制备和发展提供参考。

γ-TiAl合金激光熔覆高温自润滑耐磨复合材料涂层研究

以NiCr-Cr3C2-40%CaF2(wt.%)复合合金粉末为原料,采用Nd:YAG激光熔覆技术,在γ-TiAl合金基体表面成功制备出了高温自润滑耐磨复合材料涂层,在复合粉体准备时,采用Ni-P化学镀包覆原始CaF2颗粒,以减少其在激光熔覆过程中的分解、蒸发和上浮.采用XRD、SEM和EDS等手段对所制备复合材料涂层的显微组织进行了分析,并测试了TiAl合金及所制备的复合材料涂层的室温滑动磨损性能.结果表明:该复合材料涂层由初生发达树枝状TiC和次生块状Al4C3碳化物增强相以及细小弥散分布的CaF2润滑颗粒均匀分布在塑韧性良好的NiCrAlTi(γ)基体中,其平均显微硬度是基体TiAl合金的2倍以上.CaF2颗粒由于采用Ni-P化学镀包覆而大部分得以保留,并且增强了其与NiCrAlTi(γ)金属基体的相容性,使得该复合材料涂层具有良好的自润滑和耐磨效果.

单晶γ-TiAl合金微裂纹扩展行为的分子动力学模拟

为了从微观原子结构探索γ-Ti Al合金裂纹扩展的机理,研究了恒定加载速度下温度对γ-Ti Al合金中裂纹扩展的影响。采用分子动力学方法对单晶γ-Ti Al合金中预置微裂纹的扩展过程进行模拟,研究表明,室温下裂纹呈脆性解理扩展,中、高温时,裂纹在扩展过程中发射位错,裂尖钝化并伴有偏转;随温度的升高,微裂纹由脆性解理扩展向韧性扩展转化,裂纹扩展速率减慢,材料塑性增加;裂尖发射的位错堆积在边界附近,使得位错堆积处萌生空洞缺陷,随着加载的继续,空洞最终长大形成微裂纹,出现边界开裂的现象。

晶界对全片层组织γ-TiAl合金断裂韧性的影响

为了深入研究晶界对全片层组织TiAl基合金断裂韧性的影响,采用SEM原位拉伸实验,对全片层和近全片层Ti-46.5Al-2.0Cr-1.5Nb-1.0V合金中裂纹的扩展进行了观测。发现晶界对全片层组织TiAl合金断裂韧性的影响表现在改变裂纹扩展方向以及影响韧带的尺寸上。并得出结论:全片层组织γ-TiAl合金的断裂韧性来源于基体的断裂韧性、片层晶界导致的韧性增强以及片层导致的韧带增韧。

挤压开坯γ-TiAl合金的热变形行为研究

采用Gleeble-1500试验机对经过挤压比为12开坯后的γ-Ti Al合金在温度为900~1100℃、应变速率为0.01~1s-1、变形量为70%等温恒应变速率下的热变形行为进行了研究,获得了变形条件范围内的流变应力数据,并利用Ze-ner-Hollomn参数和Arrhenius方程得出γ-Ti Al合金的本构方程。结果表明：γ-Ti Al合金在900℃,应变速率为1s-1和0.1s-1的条件下新生动态再结晶晶粒较少,并且动态再结晶发生的热力学条件比一般高温合金更加苛刻。所获得的流变应力方程为σ=48.1（lnε.＋413.53×103/RT-28.37）;其热变形激活能Q=413.53kJ/mol,为科学设计和有效控制γ-Ti Al合金的锻造工艺提供了理论依据。

温度对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展的影响的分子动力学模拟

用分子动力学方法从原子尺度对单晶γ-TiAl合金中心裂纹的扩展机理进行了研究,模拟了不同温度下预制中心裂纹的扩展过程。结果表明:随着温度升高,裂纹的启裂时间变长,启裂应力值分别为5.64GPa、4.58GPa和4.27GPa;裂尖和边界发射的位错数目随温度的升高而增多;温度为300K时,裂纹先脆性扩展,出现分枝后,裂纹通过裂尖发射位错向前扩展,扩展过程为塑性扩展;温度达750K时裂纹出现分枝,扩展过程为塑性扩展,此时的裂纹扩展速率慢于300K时的裂纹扩展速率;950K时裂纹没有出现分枝,扩展过程为塑性扩展且扩展速率最快;三种温度下裂纹扩展过程均出现裂尖钝化与偏折现象。

全片层γ-TiAl合金显微组织对断裂行为的影响

通过SEM原位拉伸研究了全片层Ti-46.5Al-2.0Cr-1.5Nb-1.0V合金的显微组织与断裂行为的关系。通过热处理手段获得可区分晶粒尺度和片层厚度的全片层组织。研究表明,随着晶粒尺度的增大,裂纹扩展路径由平直变得曲折,断裂方式由沿片层界面和沿晶断裂变为穿片层断裂。随着片层厚度的减小,韧带的刚性增强,塑性变形减小,增韧效果得到改善。在全片层组织中,微裂纹在α_2/γ片层界面形核。

溶胶-凝胶法制备Al_2O_3/ZrO_2涂层及对γ-TiAl合金高温氧化行为的影响

以异丙醇铝(Al(OC3H7)3)和氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)为原料,采用溶胶-凝胶法在γ-TiAl基合金表面制备Al2O3/ZrO2涂层。研究涂层试样和空白试样在1000℃静态空气中的长期氧化行为和循环氧化行为。结果表明:Al2O3/ZrO2涂层降低了该合金的氧化速率,提高了合金的抗循环氧化能力。对涂层的作用机制进行了探讨。

γ-TiAl合金中片层组织取向的控制

γ-TiAl合金是应用前景广泛的轻质高温结构材料,其全片层组织性能具有明显的各向异性。籽晶法定向凝固利用具有特定片层取向的籽晶材料使高温α相沿<1120>方向生长,获得与生长方向平行的定向全片层组织;改变凝固路径法则通过在凝固组织中获得全β相生长,使最终片层组织与生长方向呈0o和45o夹角。本文综述了两种方法控制TiAl合金片层取向的原理及其研究进展,讨论了合金成分、凝固参数对片层取向控制过程的影响。针对国内外γ-TiAl合金定向全片层组织制备的现状,提出了需要进一步研究的问题。

铌对单晶γ-TiAl合金裂纹扩展影响的分子动力学模拟

为了研究微观尺度下铌元素对单晶γ-TiAl裂纹扩展过程的影响,运用分子动力学方法,建立γ-TiAl合金的晶体结构模型,模拟边缘裂纹扩展的过程,得到了裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,分析了铌元素对γ-TiAl能量和应力-应变关系的影响,进而揭示了铌元素对裂纹扩展的影响。研究结果表明:加入铌元素后,在相同的应变率条件下,试件的断裂时间延长,能量变化曲线有两个波峰并且出现明显的上下波动的现象;随着应变增加,应力先增大后逐渐减小;裂纹扩展缓慢,形成的断面不平滑,而且裂纹扩展的形态也发生变化。

单晶γ-TiAl合金微观滑移机制的研究

针对单晶γ-TiAl合金微观滑移机制方面研究的不足,建立了单晶γ-TiAl合金单轴拉伸时晶体滑移几何模型,根据几何模型中各夹角之间的几何关系和由Weiss晶带法则给出的滑移方向,计算出了单滑移系中各个滑移方向上的Schmid因子;通过对比计算结果发现在设定条件下晶体更易产生滑移的方向为(001)[01-1]和(11-1)[110];在由主滑移系和交滑移系组成的双滑移系同时开动时,计算出了临界外加拉伸应变为0.633;通过数值模拟验证了所给出的单晶γ-TiAl合金单轴拉伸时的微观滑移机制的正确性。

裂纹位置对含铌γ-TiAl合金裂纹扩展影响的分子动力学模拟

为了研究微观尺度下裂纹相对位置对3%铌含量的单晶γ-TiAl合金裂纹扩展过程的影响,运用分子动力学方法,建立γ-TiAl合金的晶体结构模型,模拟边界裂纹和中心裂纹扩展的过程,得到了裂纹扩展的轨迹图和能量演变图,分析了裂纹位置对3%铌含量的单晶γ-TiAl合金能量和应力-应变关系的影响,进而揭示了裂纹位置对裂纹扩展的影响。研究结果表明:中心裂纹的γ-TiAl合金在其拉伸初始阶段,受力并不集中,随后由于原子键的断裂形成了孔洞,孔洞部位抑制裂纹的扩展,因此裂纹要继续扩展需要克服更大的阻力。裂纹在中心位置和边界位置对γ-TiAl合金产生的力学影响不同,边界裂纹对材料产生断裂的危害性更大。

γ-TiAl合金表面粉末包埋渗铝改性层的组织与高温抗氧化性能

采用粉末包埋渗金属技术在γ-TiAl合金表面制备出一层渗铝改性层,对改性层的表面形貌、元素分布规律及相组成进行了检测与分析,并试验研究了改性层在850℃静态空气中的抗氧化性能。结果表明:改性层均匀致密,无明显的贯穿裂纹,主要组成相为TiAl3;在850℃静态空气中恒温氧化100h后,表面氧化层主要由Al2O3、TiAl3、TiAl2相组成,改性层显著提高了γ-TiAl合金的高温抗氧化性能。

激光表面改性Ni基合金/γ-TiAl合金的扩散连接

采用激光表面熔覆技术研究了Ni基合金激光表面熔覆涂层制备工艺及拟连接表面显微组织特征 ,探讨了TiAl基合金 /Ni基合金的超塑扩散连接。研究结果表明 ,采用激光表面熔覆技术可在Ni基合金表层形成细小的由α2 和γ相组成的枝晶组织 ,其与γ -TiAl合金快速熔凝组织具有相同的组织特征。激光熔覆TiAl合金涂层改善了TiAl基合金与Ni基合金的连接效果 ,在连接温度 90 0℃、连接压力 60MPa和连接时间 1h条件下 ,即可实现TiAl基合金与Ni基合金的连接。

γ-TiAl合金表面双层辉光等离子铬钨共渗层的高温氧化行为

采用双层辉光等离子表面技术在γ-TiAl合金表面制备铬钨共渗层,用SEM、EDS和XRD分析等方法结合高温氧化试验,研究了该共渗层在高温下的氧化(共100h)行为。结果表明:γ-TiAl合金经双层辉光等离子铬钨共渗后,共渗层表面形貌完好,组织均匀,与基体连接紧密,结合处无孔洞及裂纹等缺陷存在;铬钨共渗层在高温下可形成保护性氧化膜,有效降低了氧化速率,与γ-TiAl合金基体相比,氧化增重降低,抗氧化能力明显提高;随氧化温度升高,铬钨共渗层的氧化增重明显增大,但氧化机制不变;在氧化过程中,除了铬、钨发生内扩散外,基体中的钛、铝元素均发生了显著的外扩散。

γ-TiAl合金叶片锻造过程的三维有限元模拟

选取经挤压比为12的双相γ-TiAl合金棒材,通过Gleeble等温热压缩实验获取温度为900～1100℃、应变速率为0.01～1s-1之间的流变应力数据,并得出其本构关系。通过有限元方法对γ-TiAl合金叶片的锻造过程进行模拟。结果表明,预热温度和模锻速度对应变场的大小及分布影响很小,而对温度场和应变速率场大小及分布均有影响。

新型γ-TiAl合金板材显微组织与拉伸性能研究

主要研究了新型γ-TiAl合金板材轧制前后的显微组织变化与轧后的拉伸性能。结果表明,轧制前的锻态组织主要为γ相和α2相以及一定数量的B2/β相;轧制后的合金组织中粗大片层减少,再结晶等轴γ晶粒增加,且片层晶团沿轧制方向被拉长,其破碎程度与轧制量有关;B2/β相数量明显减少,这与高温轧制有关。经过(γ+α2)相区三次循环热处理后,合金片层增加,间距缩小,组织得到明显细化。板材的高温拉伸塑性较高,高温拉伸断口主要为沿层、穿层及穿晶断裂的混合断口。