γ-TiAl基合金用Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)复合涂层抗高温氧化性能研究

目的通过表面涂层提高γ-TiAl基合金的抗高温氧化性能。方法采用常规喷涂涂料法在γ-TiAl合金基体上制备Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)磷酸盐复合抗高温氧化涂层。研究γ-TiAl合金和涂层样品在900℃、静态空气条件下的准等温氧化动力学行为。用XRD和SEM/EDS分别对涂层样品氧化前后的物相组成、组织形貌和微区成分进行表征分析;用电子探针(EPMA)分析涂层样品的元素分布情况。结果900℃恒温氧化动力学研究结果表明,γ-TiAl基合金初期氧化速率常数为32.501×10^(-2)mg/(cm^(2)·h^(1/2)),与后期氧化速率常数28.113×10^(-2)mg/(cm^(2)·h^(1/2))基本接近,呈直线规律,不具有抗氧化性能;而Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)磷酸盐复合涂层样品氧化后期氧化速率常数为5.967×10^(-2) mg/(cm^(2)·h^(1/2)),与氧化初期8 h内氧化速率常数23.941×10^(-2) mg/(cm^(2)·h^(1/2))相比,明显降低,遵循典型抛物线规律,具有抗氧化性能。微观分析结果表明,原始涂层与γ-TiAl合金基体结合紧密,涂层主要相组成为Al_(2)O_(3)、SiC、SiO_(2);AlPO_(4)以无定形状态构成涂层连续相。氧化后,AlPO_(4)演变成晶态,形成涂层致密的网络结构;部分基体钛元素扩散进入涂层中疏松部位,氧化后形成TiO_(2)弥散分布在涂层中,填补了涂层疏松部位,使涂层更加致密;在涂层与基体界面2μm区域内形成连续致密Al_(2)O_(3)膜,阻挡了空气中的氧进一步扩散进入基体。结论Al_(2)O_(3)-SiC-AlPO_(4)复合涂层有效降低了γ-TiAl基合金氧化速率,有助于形成保护性Al_(2)O_(3)膜,明显改善了900℃γ-TiAl基合金抗高温氧化性能。

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。

铣削γ-TiAl球头立铣刀几何角度优化设计

钛铝合金具有良好的物理和力学性能,在航空航天及汽车领域具有广泛的应用前景。由于其高温强度高、导热率低及室温脆性等特性,加工时存在切削力较大、切削温度高等问题,是一种典型的难加工材料,因此开发一款针对该种材料加工的球头立铣刀具有十分重要的意义。本文通过三维有限元仿真技术,以降低铣削力和铣削温度为优化目标,求得球头铣刀前角、螺旋角和后角三个几何参数的最优组合;分析这三个几何参数对切削力和切削温度的影响,实现刀具几何参数的优化设计。

交变载荷与温度耦合对γ-TiAl合金疲劳裂纹扩展影响研究

利用分子动力学方法,在交变载荷与温度耦合条件下,模拟γ-TiAl合金的疲劳裂纹演化过程,探索TiAl合金不同阶段疲劳性能变化的微观机理,得到了在周期循环拉压加载时间比R=10∶1,沿[001]方向以v=10 m/s恒定速率交变加载时,不同温度(300 K、750 K、950 K)条件下,单晶TiAl合金疲劳断裂及缺陷演化的规律。结果表明:交变载荷与温度耦合加载时,在同一应力条件下,随温度的升高,发射位错数量增加且衍生多种类别缺陷,系统初始开裂应变量增大,位错的演化使应力-应变关系发生波动现象。位错密度峰值多集中于应力峰值区域,位错演化与产生的体心立方结构、面心立方结构衍生过程有关。该研究成果为复杂外载荷状态及不同温度条件下的γ-TiAl合金性能设计提供有力的理论指导。

γ-TiAl增压涡轮熔模铸造过程数值模拟研究

根据熔模型壳离心浇注的铸造工艺特点,建立了γ-TiAl增压涡轮凝固传热过程的数值模型,推导了离心压力下γ-TiAl金属间化合物的凝固收缩和补缩过程数学模型,模拟计算了γ-TiAl增压涡轮铸件的温度场和收缩缺陷。结果表明,模型能可靠计算γ-TiAl增压涡轮铸件凝固过程的温度分布和准确预测铸件的收缩缺陷,数值模拟结果与实验结果吻合良好。数值模拟结果证实了前期工作所提出的进一步减少及消除收缩缺陷的优化工艺措施的合理性。

硼化物细化γ-TiAl基合金晶粒的机制

研究了不同硼含量对Ti46Al8Nb合金晶粒尺寸的影响,发现硼化物以两种方式从液相中析出:当硼含量较低、冷却速度较快时,硼化物主要存在于枝晶间,说明凝固过程中硼被排出到液相,在β枝晶间最后与枝晶耦合生长形成硼化物;当硼含量较高、冷却速度较慢时,硼化物存在于枝晶干。硼含量对枝晶形态的影响表明,不同硼含量时尽管晶粒尺寸有很大差别,但是合金的枝晶形态和枝晶间距并没有明显的变化,并且在晶粒得到部分细化的Ti46Al8Nb0.4B合金中发现,未被细化的粗大晶粒与周围的细小晶粒的枝晶形态完全相同,并可来自于同一个β晶粒。这些实验结果表明:硼化物对Ti46Al8Nb基合金晶粒的细化作用主要不是通过改变L→β的凝固过程得到的,而是通过影响凝固后的β→α固态相变来实现的。

氧原子在γ-TiAl(111)表面吸附的第一性原理研究

运用第一性原理方法对氧原子在γ-TiAl(111)表面的吸附研究表明,氧原子倾向于吸附在近邻表面层多Ti的位置,随着覆盖率的增加,表面不同位置吸附能差别减小．电子结构分析发现,氧原子同表面金属原子形成以离子特性为主的化学吸附．氧化学势对TiAl表面稳定性影响的研究表明,γ-TiAl(111)清洁表面只能在氧化学势很低时可以稳定存在,氧化学势稍高,清洁表面就变得不稳定,氧原子开始吸附,并迅速达到高覆盖率的情况．

β相区凝固的铸造γ-TiAl基合金的微观组织(英文)

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及差示扫描量热仪(DSC)研究Ti-43Al-4Nb铸态合金及其热处理态合金的显微组织以及相转变行为。结果表明:通过从β相区凝固的方法可以获得组织细小的铸态Ti-43Al-4Nb合金;凝固过程中γ晶能够直接从β相中形核,β相与γ相沿初始α晶界共存,有效地抑制了铸态Ti-43Al-4Nb合金晶粒的长大;Ti-43Al-4Nb合金在凝固过程中的相转变顺序为L→L+β→β→α+β→α+βr→α+γ+βr→(α2+γ)片层+γ+βr;经1250℃、16h热处理后,Ti-43Al-4Nb合金的显微组织与铸态组织相比有一定程度的粗化;由于Nb元素的充分扩散以及β相的非平衡状态,经过上述热处理过程后残余β相能够被完全消除。

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.

γ-TiAl金属间化合物合金激光表面合金化改性

以ＮｉＣｒ－ＣｒＣ２混合粉末为原料，对γＴｉＡｌ金属间化合物合金进行激光表面合金化，制得了以γ－ＮｉＣｒＡｌ镍基固溶体为基体、以ＴｉＣ及Ｃｒ７Ｃ３为增强相的复合材料表面改性层，分析了激光表面合金化改性层的组织，并测试了其在滑动磨损试验条件下的耐磨及高温抗氧化性能。试验结果表明，上述激光表面合金化层具有很高的硬度、较高的耐磨性及高温抗氧化性。

低成本γ-TiAl排气阀研究现状

重量轻与相当于Ni 基超合金的高温强度相结合 ,使得γ TiAl合金成为可替代传统钛合金的较为理想的排气阀结构材料。排气阀重量的减轻可以减小阀体与汽缸之间的摩擦 ,进而提高燃料的燃烧效率。然而 ,应用γ TiAl合金必须克服一般航空材料高成本、小批量的生产方式 ,以便使γ TiAl排气阀能够广泛地应用到汽车工业中。本文将几种可用于制造排气阀的结构材料进行了对比 ,结果表明γ TiAl的密度要小于传统钛合金 ,蠕变和疲劳性能与IN 75 1相当 ,是理想的排气阀结构材料。此外 ,还讨论了γ TiAl合金排气阀生产 。

基于密度泛函理论的La掺杂γ-TiAl体系结构延性与电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了La替位Ti或Al且掺杂浓度分别为1.85 at.%,2.78 at.%,4.17 at.%,6.25 at.%,8.33 at.%,12.5 at.%的γ-Ti Al合金的晶体结构、稳定性和延性等性质.结果显示,杂质La浓度x 12.5 at.%,各个体系均具有较好的能量稳定性,即在一定条件下它们是可以实验制备的,且掺杂合金体系的密度<4.6 g·cm^(-3).La掺杂引起晶格参量变化进而导致合金体系的轴比发生变化.La的低浓度(x 6.25 at.%)掺杂使合金体系的轴比相较纯γ-Ti Al更接近于1,这对于改善材料的延性极为有利,其中Ti_(11)La Al_(12)体系的轴比最接近于1,预报其延性最佳.通过对比Ti_(11)LaAl_(12)和Ti_(12)Al_(12)体系的布居数、电荷密度和电子态密度,发现Ti_(11)LaAl_(12)体系延性改善的电子因素为:掺杂使体系内Al(Ti)原子轨道上的电子重新分布,Ti-d轨道和Al-p轨道的电子数均减小,可被p-d杂化轨道局域化的电子数减小,p-d轨道杂化键强度降低,从而使位错移动的阻力减少,延性得以明显改善.电子重新分布改变了部分化学键的性质,部分Al—Ti共价键转化为Al—La离子键,部分Ti—Ti共价键转化为Ti—La金属键,它们的共价性及方向性明显降低,材料金属性增强.在掺杂体系中Al—Al键的平均强度减弱,Al—Ti键和Ti—Ti键的平均强度增强,三者的强度差异明显减小,晶体结构的各向异性程度降低.

单晶γ-TiAl中孔洞位置对裂纹扩展影响的分子动力学模拟

运用分子动力学方法对单晶γ-TiAl合金的裂纹扩展过程进行了研究,分析了不同孔洞位置对裂纹扩展的影响,得到相应的原子轨迹、能量演化以及应力-应变关系。结果表明无孔洞时,裂纹以脆性解理方式快速扩展至材料断裂,能量曲线只有一个波峰;L=1.6nm时裂纹先以脆性解理的方式扩展,孔洞抑制裂纹扩展,孔洞周围发射位错,裂纹以尖端空洞形核、长大成微裂纹,最终微裂纹与主裂纹连接的方式扩展,能量曲线有多个峰值;L=4.8nm时,裂纹初始扩展过程与L=1.6nm时相似,后期未出现空洞形核、长大成微裂纹并与主裂纹结合的现象;另外孔洞距裂尖距离不同,发射第一个位错的方向不同。

EB-PVD制备γ-TiAl基合金薄板的研究

采用一种新型的制备工艺———电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术,成功制备了尺寸为150mm×100mm×0.4mm的-γTiA l基合金薄板,并采用扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)等测试手段对蒸镀态及热处理态试样的物相组成和断口形貌等进行分析。结果表明,蒸镀态-γTiA l基合金薄板由γ相、α2相和τ相组成,表面质量良好,内部自然分层,显微组织结构为柱状晶。经1000℃/16h的真空退火处理后,柱状晶转变为等轴晶,τ相消失,α2相含量显著减少,同时有消除分层现象的趋势,材料的断裂方式由沿晶脆性断裂转变为沿晶脆性断裂和韧窝韧性断裂的混合断裂方式。

4d过渡金属替位掺杂γ-TiAl基合金的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了4d过渡金属X在γ-TiAl中替位掺杂形成的Ti7XAl8和Ti8Al7X体系的几何结构、总能量和弹性常数。对系统总能量、形成能的计算结果揭示Tc、Ru、Mo和Nb替代Al原子(或Ti原子),Rh和Pd替代Al原子掺杂体系比纯γ-TiAl体系更稳定,有利于制备γ-TiAl基合金。分析Ti7XAl8和Ti8Al7X体系的轴比c/a发现,4d过渡金属元素Y、Zr、Tc、Ru、Rh、Mo和Nb替代Al,Y、Ag、Rh和Pd替代Ti均能明显改善γ-TiAl基合金的延性。对弹性模量比的研究表明,Y、Zr、Tc、Ag、Ru、Rh、Pd、Mo和Nb替代Al原子掺杂有利于改善γ-TiAl基合金的韧性。综合分析确认,Mo和Nb易于添加到γ-TiAl基合金中并且有利于改善材料的延性和韧性。这一结论能够与他人的实验研究结果相互佐证。

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。

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。

热等静压法制备细晶γ-TiAl及可成形性研究

采用低温高能球磨法和热等静压技术制备出细晶Ti-45Al-2Cr-2Nb-1B合金,采用XRD、TEM对热等静压烧结后组织形貌进行分析,采用INSTRON4200型拉伸试验机对热等静压后的材料进行拉伸性能测试。研究表明,在不同条件下烧结,其相组成为γ-TiAl和少量Ti3Al,晶粒尺寸为细晶结构(低于500nm)。对块体材料进行室温和高温拉伸试验,研究表明室温具有很低的塑性,认为粉末间没有很好的结合;850℃高温拉伸试验,强度为60～80MPa、延伸率为63%～101%,具有很好的塑性,表现出很好的高温可成形性。这表明,可以在800～900℃条件对钛铝烧结块进行二次加工(锻造或轧制)获得致密高强度的细晶钛铝块体或板材;对热等静压制备的TiAl的可成形性进行了讨论。

杂质浓度对Zr替位掺杂γ-TiAl合金的结构延性和电子性质的影响

以Zr替代Ti(或Al)掺杂γ-Ti Al体系为研究对象,掺杂浓度(摩尔比)分别为1/54,1/36,1/24和1/16.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Zr掺杂γ-TiAl体系的晶体结构及其稳定性、延性和电子性质等.结果显示,Zr替位掺杂,可以改变γ-TiAl基合金的结构对称性.计算的形成能表明,Zr替代Ti原子会使体系的形成能降低,而Zr替代Al原子会使体系的形成能增加.因而,在掺入γ-TiAl时,Zr更倾向于替代Ti原子,但是Zr替代Al原子也具有一定的可能性,从而会产生多样的掺杂体系,对于改善合金的性质具有重要意义.对各个体系轴比的计算与分析表明,当掺杂浓度为1.85 at%—6.25 at%时,Zr替代Al原子会使体系的轴比减小、接近于1,从而改善合金的延性效果明显.能带结构显示各个Zr掺杂γ-TiAl体系均具有金属导电性.对电子态密度和布居数的分析表明,Zr替代Al原子后,Zr与其邻近Ti原子的共价键结合强度大为降低,导致合金体系中的Ti—Al(Zr)键的平均强度明显减弱,金属键增强,这是改善γ-TiAl合金延性的重要因素.