新型多相TiAl合金的β/B2相含量变化及其对拉伸性能的影响

以新型多相TiAl合金(Ti-43.5Al-6(Nb、Cr、Ta))的挤压态组织为研究对象,先通过热处理分析该合金中β/B2相、α/α2相和γ相平均含量随固溶温度和保温时间的演变规律,然后测试合金在三相区内不同β/B2相含量时的室温和高温(750℃和800℃)拉伸性能。结果表明:在1190~1350℃范围内,γ相含量随固溶温度的升高和保温时间的延长逐渐减少,在1270℃时,γ相完全消失;在1190~1350℃范围内,β/B2相含量随固溶温度的升高先减少后增加,随保温时间的延长逐渐减少,而层片团的含量和尺寸与β/B2相的含量变化负相关;在1230~1280℃范围内,β/B2相平均含量可控制在10%以下;在1250~1270℃范围内,延长保温时间可将β/B2相平均含量控制在0.5%以下;当合金处于三相区时,控制β/B2相平均含量约6%,可得到综合拉伸性能优异的均匀细小近层片组织,且该组织的室温抗拉强度超过1050 MPa、室温伸长率1.5%~2%,750℃抗拉强度超过950 MPa,800℃抗拉强度超过850 MPa。

微观组织结构对TiAl合金高温氧化行为的影响

通过分析不同微观组织TiAl合金在850℃下的恒温氧化行为,揭示了不同微观组织TiAl合金的高温氧化机制。研究表明,近γ组织和双态组织TiAl合金表现出优异的高温抗氧化性,850℃恒温氧化100h后,样品表面氧化膜厚度分别为13.78、12.81μm,而全片层组织TiAl合金在同等条件下的氧化膜厚度为19.06μm。经850℃氧化100 h后,不同微观组织TiAl合金表面均形成了不具有保护作用的TiO_(2)/Al_(2)O_(3)混合氧化层。全片层组织TiAl合金高温抗氧化性不足的主要原因是基体中存在过多的原子扩散通道(片层晶界和板条相界),导致大量的氧进入基体发生氧化反应,而近γ组织和双态组织中原子扩散通道明显减少,且存在大量抗氧化性能优异的γ晶粒,显著降低了氧扩散与氧化速率,从而提高了TiAl合金的高温抗氧化性能。

TiAl合金叶片类构件成形工艺研究进展

TiAl合金具有良好的高温强度和比强度等优异性能,在航空发动机叶片、汽车涡轮叶片等部件上的应用得到广泛关注。但TiAl合金存在本征脆性、高温变形过程中温度/应变速率敏感性大、热加工窗口窄及热变形易开裂等难题,导致TiAl合金叶片类构件制备具有极大难度。随着TiAl合金体系的不断完善,除铸造成形外,锻造及增材制造工艺通常也被用于航空发动机用TiAl合金叶片类构件的制备。总结分析了近年来国内外TiAl合金叶片类构件铸造、锻造及增材制造工艺的原理、工艺参数及应用现状,并对TiAl叶片的制备工艺进行了展望。

TiAl合金铸件的热处理组织调控机制

TiAl合金铸态组织粗大,致使其铸件强度低、塑性差,必须通过热处理细化铸态组织。利用OM和SEM研究了Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸件不同热处理组织演变规律,优化制定了双态和近片层组织热处理工艺,实现了晶粒细化,揭示了细化机理。结果表明,1185℃/6 h/炉冷双态组织热处理和1185℃/6 h/炉冷+1330℃/0.25 h/炉冷近片层组织热处理可分别将铸态组织晶粒尺寸细化75.51%和40.21%。双态组织热处理晶粒细化机制是在片层团晶粒内部析出大量γ晶粒打断原始粗大的片层团晶粒,γ晶核在片层团晶粒内形核来源于Al元素偏析和γ片层连续粗化。近片层组织热处理晶粒细化机制是在α单相区短时保温时发生了γ→α转变,破坏了原始粗大的片层团晶粒。等轴γ晶粒对α晶粒长大有钉扎作用,使得冷却后形成的片层团晶粒尺寸较小。

TiAl合金在高电位流动电解液中的庞加莱截面分析

TiAl合金在高电位电化学溶解过程中的电流密度时间序列呈现出明显的高维混沌行为,相空间重构已不能直观地展示系统的具体形态,针对此问题采用庞加莱截面、差分庞加莱截面及分布熵定量表征TiAl合金在不同压力电解液中的高电位溶解电流密度时间序列的非线性行为特征。研究表明:差分庞加莱截面由于其去趋势化作用能更直观地反映合金电流密度的局部波动,局部波动越大散点越分散,说明合金发生非均匀溶解,局部波动越小散点越聚集,说明合金发生均匀溶解。结合分布熵运算结果可知,TiAl合金高电位电化学溶解系统在电解液压力为0.4 MPa时最稳定,合金发生均匀稳定溶解。

基于田口法的离心铸造TiAl合金环形件组织调控工艺参数优化

为了获得TiAl合金环形件离心铸造过程中离心转速、浇注温度、浇注速度和模具预热温度对TiAl合金铸环凝固组织的影响规律,通过数值仿真和田口法,并利用晶粒尺寸和缩孔率的信噪比结果作为衡量铸件质量的指标,从而优化离心铸造工艺参数。试验结果表明:各工艺参数对晶粒尺寸影响因素大小依次为浇注速度、浇注温度、离心转速、铸型预热温度。各工艺参数对缩孔率影响因素大小则依次为浇注速度、离心转速、浇注温度、铸型预热温度。以晶粒细化程度最大、缩孔率最小作为优化目标时,最优工艺参数为离心转速600 r/min、浇注温度1620℃、浇注速度200 mm/s和型壳预热温度150℃。试验验证结果表明,该工艺参数制备出晶粒细小、组织致密的优质TiAl合金铸件。

TiAl合金低周疲劳失效机理综述

TiAl合金具有优异的比强度和高温稳定性,被广泛应用于航空航天领域。随着社会发展对飞机发动机运行稳定性和可靠性的要求越来越高,TiAl合金的低周疲劳性能和失效机理越来越受到关注。本文综述了近30年来TiAl合金低周疲劳方面的研究进展,包括应变范围、温度、合金成分、组织类型、片层取向、微观变形等对TiAl合金低周疲劳行为的影响机理,重点阐释了测试条件与TiAl合金微观结构的交互作用对疲劳失效行为的影响规律。

超声纵扭辅助铣削TiAl合金表面质量及刀具磨损研究

TiAl合金属于典型难加工材料,采用传统方式加工难以获得良好的表面质量,因此文章提出采用超声纵扭辅助铣削TiAl合金。试验采用单因素对照方法,研究了超声纵扭铣削(ULTM)与普通铣削(CM)加工TiAl合金时工艺参数对表面粗糙度、表面形貌及显微硬度的影响规律。研究结果表明,ULTM铣削可以改善TiAl合金的表面粗糙度,获得普遍较低的粗糙度值(Ra<0.6μm);ULTM对TiAl合金表面硬化具有强化作用,能使表面硬度平均提升超过10%,并且采用ULTM加工得到的工件和切屑表面质量都较好。此外,铣削150 mm3的TiAl合金时发现ULTM的刀具底刃磨损量明显减小,刀具主要发生氧化磨损和扩散磨损。

TiAl合金电解加工系统的非线性动力学特征与加工表面形貌之间的映射关系

电流密度的大小和波动形态一直是电解加工过程的一个重要的参数,但其波动形态与电解加工表面微观形貌之间映射关系却一直没有得到重视。采用相空间重构、递归图及量化参数分析TiAl合金电解加工过程电流密度的非线性动力学行为,利用粗糙度与缺项量化表征加工表面微观形貌。研究发现,电解液压力和脉冲频率均是影响电解加工过程的非线性动力学行为和加工表面微观形貌的显著因素,当电解液压力为0.35 MPa或脉冲频率为300 Hz时,TiAl合金电解加工系统结构最简单、稳定,加工表面最光滑、均匀,电解加工系统的结构特征和加工表面的微观形貌之间存在良好的匹配关系。

挤压态TiAl合金热变形行为及热加工图研究

针对TiAl合金热塑性变形难的问题,通过MMS-200型热模拟试验机研究了挤压态Ti-47Al-2Cr-2Nb合金在变形温度为1000~1300℃、应变速率为0.001~1 s^(-1)、工程应变为60%条件下的热变形行为。通过Arrhenius函数模型建立了该合金基于应变补偿的本构方程;基于动态材料模型建立了合金在工程应变为60%时的热加工图。结果表明,该合金具有正应变速率敏感性和负温度敏感性;通过建立的热加工图发现理想的变形参数为1100~1150℃、0.001~0.05 s^(-1)和1200~1300℃、0.001~0.01 s^(-1),突破了传统TiAl合金只能在高温低应变速率条件下变形的认知,发现在0.01和0.1 s^(-1)高应变速率下通过合适的成形温度匹配,该合金仍可以获得较好的成形性能。

TiAl合金表面Al-Y渗层的抗热腐蚀性能

针对TiAl合金抗热腐蚀性能不足的问题,采用扩散渗法在其表面制备了Al-Y渗层,研究了催化剂类型对渗层组织结构的影响,分析了渗层的热冲击性能,对比研究了TiAl基体和Al-Y渗层在25%NaCl+75%Na2SO4熔盐(质量分数wt.%)中的热腐蚀行为。结果表明:用不同催化剂制备的Al-Y渗层具有相似的结构,与基体均为良好的冶金结合,由外向内均由富Al外层、TiAl_(3)中间层和TiAl_(2)内层构成,但当采用NH_(4)Cl为催化剂时,渗层的致密度和均匀性较用NaF和AlCl_(3)∙6H_(2)O催化剂好。在1000℃热冲击下,Al-Y渗层较基体合金具有更强的抗热冲击性能。TiAl合金在热腐蚀时,基体中的片层状α_(2)-Ti_(3)Al相首先与O、S介质发生选择性腐蚀,随后形成灾难性腐蚀;而Al-Y涂层在热腐蚀初期会形成致密的Al_(2)O_(3)氧化膜,有效地保护了渗层,随着热腐蚀时间的延长,由于渗层内原子的内外扩散和腐蚀应力,渗层逐渐开裂,裂纹成为O和S元素的扩散通道,但在此过程中,渗层中的TiAl_(3)相发生分解,为裂纹部位提供Al源并形成Al_(2)O_(3)来填补裂纹,延缓了O和S原子的内扩散速率,增强了TiAl合金的耐热腐蚀性能。

多尺度TiB/Ti_(2)AlN颗粒相增强TiAl合金组织与力学性能研究

在Ti43Al6Nb1Mo合金中加入BN增强体,设计出多尺度颗粒增强TiAl复合材料,研究合金中多尺度、多组分硼化物和氮化物颗粒相形成机制以及颗粒相对合金凝固组织的影响规律,探究多尺度颗粒相的协同强韧化机制。结果表明:Ti43Al6Nb1Mo-xBN复合材料中原位自生形成了Ti_(2)AlN相和TiB相,加入BN增强体后,合金片层团尺寸细化明显,这主要是由于Ti_(2)AlN相和TiB相的协同细化效应。另外,Ti_(2)AlN相和TiB相的形成有效抑制了B2相的形成,当BN含量为0.5wt%时,B2相消失。多尺度Ti_(2)AlN和TiB相诱发细晶强化效应、抑制B2相形成,产生固溶强化效应以及第二相沉淀强化效应,Ti43Al6Nb1Mo-xBN复合材料表现出优异的室温和高温强塑性,实现TiAl合金强度和塑性的良好匹配。

微量C,B对高铌TiAl合金显微组织与力学性能的影响

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等设备,以及拉伸和蠕变试验系统研究微量间隙元素C,B对高铌TiAl合金显微组织与力学性能的影响。微量B元素对高铌TiAl合金没有明显的强化作用,但是微量B元素在合金中以条状或点状的TiB_2存在,TiB_2细化了高铌TiAl合金原始片层团晶粒,对改善高铌TiAl合金片层组织的室温塑性有利。加微量C元素的高铌TiAl合金在长时间的蠕变过程中,大量Ti_3AlC沉淀相的析出提高了高铌TiAl合金全片层组织蠕变抗力。

TiAl合金表面激光重熔等离子喷涂MCrAlY涂层研究

为了进一步提高TiAl合金表面等离子喷涂MCrAlY涂层的高温氧化性能,采用激光重熔工艺对涂层进行处理,研究了激光重熔对涂层微观组织及抗氧化性能的影响。用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)分析了涂层氧化前后的表面形貌、微观组织和相组成。结果表明:经过激光重熔处理后,涂层片层状组织得以消失,致密性提高,消除了喷涂层的大部分孔洞、夹杂等缺陷,同时使Al元素在涂层表面的重新分布,形成了Al的富集区;等离子喷涂MCrAlY层能显著提高TiAl合金的抗高温氧化性能,经过激光重熔后可进一步提高其抗高温氧化性能。

SiO_3^(2-)对TiAl合金微弧氧化陶瓷层的影响

采用自行研制的脉冲微弧氧化设备,在TiAl合金表面制备了微弧氧化陶瓷层。测定了TiAl合金微弧氧化陶瓷层在高温循环氧化条件下的氧化动力学曲线。研究了在微弧氧化处理溶液中加入SiO32-对陶瓷层性能的影响。实验结果显示:经过微弧氧化处理后试样的高温氧化动力学曲线大致呈抛物线规律,其表面的陶瓷氧化膜具有保护性;在微弧氧化处理溶液中加入SiO32-后,微弧氧化处理的TiAl合金的使用温度可提高到1273K。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对陶瓷层的显微结构和物相组成进行分析,发现其物相组成为含量约占80%的Al2TiO5,11%的TiO2以及9%的SiO2。这表明SiO2能有效抑制Al2TiO5在高温下的分解,从而大幅提高TiAl合金的抗高温氧化性。

TiAl合金定向凝固过程中与坩埚材料的界面反应研究

对定向凝固过程中Ti-47Al合金与氧化铝、氧化锆和石墨坩埚之间的界面反应进行实验研究。通过用光学显微镜和扫描电镜对凝固组织观察发现,TiAl合金与氧化铝坩埚之间的界面反应较为严重,在凝固组织中形成了大量氧化铝夹杂;TiAl合金与氧化锆坩埚的界面反应仅发生在试样表面,但该坩埚在高温下不稳定,并在试棒表面形成一层无法剥离的粘结层;石墨坩埚中的C元素改变了原有TiAl合金的凝固路径,生成了棒状的γ-TiAl相。

TiAl合金的热加工、组织和性能

采用水冷铜坩埚感应熔炼技术制备了高质量的Ti-43Al-9V-0.3Y合金铸锭,该合金铸态组织为近层片组织结构,层片团簇的体积分数为85%左右,大小约为80μm,块状β和γ相位于层片团簇边界。层片结构中除了γ和α2相外,还存在少量的β相析出物。Ti-43Al-9V-0.3Y合金具有良好的热加工性能,通过包套锻造和包套轧制技术,成功制备了大尺寸TiAl合金锻饼和国内最大尺寸TiAl合金板材,其尺寸分别为260mm×24mm和500mm×300mm。经热变形后,Ti-43Al-9V-0.3Y合金的显微组织明显细化,力学性能得到了显著提高。

用正电子湮没技术研究Zr和Nb在TiAl合金中的行为

测量了TiAl,Ti50 Al4 8Zr2 和Ti50 Al4 8Nb2 的正电子寿命谱 ,并利用正电子寿命参数分别计算了合金基体和缺陷态的自由电子密度。TiAl合金基体的自由电子密度比金属Ti和金属Al基体的低 ,当Ti和Al组成TiAl合金时 ,Ti原子和Al原子的部分价电子被局域化 ,TiAl合金中金属键和共价键共存。TiAl合金晶界缺陷的开空间较大 ,晶界缺陷处的自由电子密度较低 ,金属键结合力较弱 ,材料易发生沿晶脆断。在TiAl合金中分别加入Nb和Zr元素 ,合金基体和晶界的自由电子密度升高 。

元素粉末冷轧成形及反应合成制备TiAl合金过滤材料

以Ti、Al元素粉末为原料,通过冷轧成形和两阶段反应合成法,制备出孔隙度为38.3%～48.2%的Ti 46.5%Al(摩尔分数)金属间化合物过滤材料。具有最大孔隙度为48.2%的TiAl合金过滤材料的制备工艺为:冷轧压力35.3×104～43.1×104N(轧辊直径200mm),烧结过程升温速率0.33K/s,分别在873和1473K温度下保温50和60min。研究表明:真空烧结后,TiAl合金由TiAl和Ti3Al两相组成,Ti3Al相含量随烧结温度升高而增加;所制备的TiAl合金过滤材料的最可几孔径可达2.56μm,对应的最大孔径为11.8μm,透气度为3.219×10-5m·Pa-1·s-1;原轧坯中的孔隙及Al元素偏扩散造孔是形成过滤材料孔隙的主要原因。

热处理对大尺寸铸态高Nb-TiAl合金组织中S-偏析的影响

研究了热处理对铸态高Nb-TiAl合金组织中S-偏析的影响。试验结果表明,对合金试样在Tα温度以上(1350-1400℃)进行热处理可以消除S-偏析,短时间内保温组织中会再次出现大量的β相,长时间保温后β相完全溶解并转变为α相,其冷却到室温变为片层组织;在Tα温度以下α+γ两相区(1250-1330℃)由于γ相的存在不能消除S-偏析。合金试样经过1350℃/24h+900℃/30min/AC和1400℃/12h+900℃/30min/AC处理后,S-偏析都得到了有效的消除,并分别获得平均晶粒尺寸为210μm和120μm的片层组织。