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。

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。

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。

γ-TiAl基合金快速熔凝组织转变的规律

采用激光表面快速熔凝技术处理了γ-TiAl基合金的拟连接表面,原位观察了激光处理组织在不同温度下保温过程中组织转变的特点,研究了处理温度对组织转变速度的影响以及组织细化的规律.结果表明,用激光表面快速熔凝处理所得到的γ-TiAl基合金拟连接表面的枝晶组织,在一定的温度下可转变为细小的等轴晶粒组织,为后续的超塑连接提供了良好的保障.

循环热处理工艺对双态复相γ-TiAl基合金显微组织的影响

经验证明均匀的细晶粒双态复相组织γ TiAl基合金具有较好的加工性能 ,常用的获得这种组织的热处理工艺是通过在α+γ相区循环热处理获得的。但是以往的循环热处理工艺具有难控制 ,易出现裂纹 ,不能广泛应用于工业生产的缺陷。本文采用风冷循环热处理工艺 ,解决了这些问题 ,获得了晶粒直径为 2 0 μm左右的复相双态TiAl合金 ,并研究了循环热处理过程中的显微组织演化。结果表明 :随着循环次数的增加 ,材料的均匀性和等轴性有较大的改观。通过改变循环热处理温度以及时间 。

循环热处理工艺对于双态复相γ-TiAl基合金室温拉伸性能的影响

采用循环热处理工艺,获得了复相双态γ-TiAl基合金。研究了循环热处理过程中的显微组织演化,测试了室温拉伸性能,对断口进行了分析。结果表明:经过循环热处理,可以获得晶粒尺度在20μm的均匀复相双态组织。室温拉伸塑性可达2.6%;随着循环次数的增加,材料的均匀性和等轴性有较大的改观,室温拉伸塑性、屈服强度和断裂强度也随之增加。

Zr和(或)Mn替位掺杂γ-TiAl基合金的延性与电子性质

采用密度泛函理论计算研究Zr和(或)Mn替位掺杂γ-TiAl形成的8个合金体系的几何结构、形成能、弹性模量、能带结构和重叠布居数等。结果表明:各个掺杂体系的总能量和原子平均形成能均是负值,表明它们具有较好的能量稳定性、在特定条件下是可以实验制备的。Zr或(和)Mn单(双)替位掺杂可以改善此类γ-TiAl基合金体系的轴比(R)和弹性模量比(B/G),特别是Ti_(12)Al_(11)Zr、Ti_(12)Al_(11)Mn、Ti_(11)MnAl_(11)Zr和Ti_(11)ZrAl_(11)Mn的轴比更接近于1,B/G接近1.75,预报这4个掺杂体系均具有较好的延性。这为探索改善γ-TiAl基合金的延性提供了理论依据。根据对典型掺杂体系电子性质和重叠布居数分析发现Zr和Mn掺杂使体系的共价键强度降低、金属键强度增强,从而提高了面间的可动性,有利于改善合金的延性。

γ-TiAl基合金与异种合金扩散连接研究

主要对采用扩散连接(DB)或超塑扩散连接(SPF/DB)的方法,实现TiAl合金与异种合金(Ti-6Al-4V、40Cr钢和Ni基合金)固态连接的研究进行评述,探讨了连接工艺对连接界面显微组织及其连接件性能的影响。研究结果表明,扩散连接(或超塑扩散连接)能实现TiAl合金与异种合金高质量的连接。而扩散连接过程中,在扩散层产生的脆性相是导致焊件断裂发生在界面处的主要原因。采用中间层可有效避免脆性相的生成,而采用激光表面快凝处理,在拟连接表面获得细晶组织,可在较低温度下实现TiAl合金与异种合金的超塑扩散连接。

γ-TiAl基合金超塑扩散连接实验与理论的研究

介绍了超塑扩散连接在γ-TiAl合金中的应用,总结并评述了近年来γ-TiAl基合金超塑扩散连接的最新实验与理论研究结果,认为超塑扩散连接对于γ-TiAl基合金是一种极具应用潜力的连接方法。经激光表面处理后,可降低γ-TiAl基合金超塑扩散连接的温度和时间。改进的超塑扩散连接的理论计算,可用于γ-TiAl基合金超塑扩散连接工艺参数的优化。

铌和钨对γ-TiAl基合金热稳定性的影响

采用光学显微镜(OM),扫描电镜(SEM),X射线衍射研究了TiAl-5Nb,TiAl-14.3Nb,TiAl-8Nb-1W,TiAl-12.3Nb-2W四种合金片层组织在1000℃的热稳定性。结果表明,TiAl-12.3Nb-2W合金热稳定性最好,但合金元素对TiAl基合金热稳定性的影响机理还有待进一步的研究。

轻质高温结构材料——γ-TiAl基合金的研究动向

γ-TiAl 基合金被认为是非常有前途的新型轻质高温结构材料,在航空航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。简要介绍了γ-TiAl 基合金的研究概况,并从高铌合金化、复合化、纳米化等方面着重阐述了其今后的发展趋势。

热挤压γ-TiAl基合金的组织演变

研究γ-ToAl基合金在温度低于α相转变温度(t_α-10)时挤压过程中的组织演变。结果表明:在初始变形阶段,片层发生扭折,随着应变量和应变速率的增大,扭折处发生动态再结晶,形成细小的晶粒;而残余片层随着应变量的增大,其垂直流线方向横断面的尺寸逐渐减小,体积分数也逐渐减少,但其沿流线方向尺寸没有明显减小,残余片层界面方向随着受力状态的变化而变化,其法向平行于主应力方向;经过挤压加工的试样,其边缘片层接近完全破碎,而中心残余片层尺寸较大;挤压坯料与模具的摩擦作用与热传导严重影响了全片层晶粒的破碎细化,温度场以及变形的不均匀是造成材料不同部位微观组织差异的重要因素。

γ-TiAl基合金有效弹性性能的微结构尺度效应

基于微极理论细观力学方法,详细分析了近片层γ-TiAl基合金材料有效弹性性能的微结构尺度效应。采用空间角度平均方法处理近片层γ-TiAl基合金中横观各向同性PST(Polysynthetically twinned crystal)颗粒夹杂的空间任意取向分布,并将Mori-Tanaka法推广到微极介质,建立了近片层γ-TiAl基合金材料的有效弹性模量及其尺度效应的分析模型。结果表明:当PST夹杂颗粒直径尺度a与微极基体材料(等轴γ颗粒)的特征长度lm相当时,合金材料的有效弹性模量的大小将受到夹杂PST颗粒大小的影响,夹杂颗粒尺度减小,有效弹性模量增大;而当PST夹杂颗粒直径a与微极基体材料的特征长度lm相比很大时,微极理论对有效弹性模量预测的结果将趋近于采用传统Cauchy介质理论预测的结果。

晶粒尺寸和片层厚度对全片层γ-TiAl基合金屈服强度的影响

基于多位错塞积理论,建立了全片层γ-TiAl基合金屈服强度尺度效应的解析预测细观力学模型,得到了全片层γ-TiAl基合金屈服强度的计算公式并详细分析了晶粒尺寸d和片层厚度λ对屈服强度的影响关系,数值预测结果趋势与已有的试验结果相吻合。主要结论是:γ-TiAl基合金屈服强度对晶粒大小d变化不敏感,而对片层厚度λ具有强烈的依赖关系,随着片层厚度的减小,屈服强度明显增大,表现出显著的尺度效应;屈服强度与片层厚度之间的制约关系在一定的片层尺度范围内符合Hall-Petch关系。值得注意的是,当片层尺寸λ细化至90nm时,γ-TiAl基合金材料的屈服强度达到一极限饱和值,这一极限饱和值约为1000MPa。

γ-TiAl基合金弹性和塑性尺度效应所对应内在特征尺寸的关系

将近片层γ-TiAl基合金视为以等轴γ颗粒为夹杂、多孪晶PST单晶组分为微极基体的复合材料,运用微极理论研究与其等效弹性性能尺度效应对应的材料特征尺度lm和塑性流动行为尺度效应对应的材料特征尺度lp之间的关联。结果表明:相对于硬相的PST组分基体,软相等轴γ颗粒夹杂直径d与微极基体的材料内在的弹性特征尺度lm和塑性特征尺度lp相当时,夹杂尺寸将对合金材料的等效弹性模量和塑性流动行为产生一定的影响;合金材料的弹性模量随着夹杂颗粒尺寸的减小而增大,夹杂颗粒越小,合金材料的塑性流动硬化特征越明显。γ-TiAl基合金中与弹性性能尺度相对应的材料特征尺度lm与塑性行为尺度效应所对应的内在材料特征尺度lp相等,并与γ-Al合金复合材料基体组分中PST颗粒的尺寸大小一致。

近片层γ-TiAl基合金宏观塑性行为的尺度效应

将近片层-γTiAl基合金视为由等轴γ颗粒和多孪晶PST(polysynthetically twinned crystal)单晶颗粒组成的两相复合材料。基于非均质微极介质塑性理论,构建-γTiAl基合金整体有效微极柔度张量,将传统塑性割线模量法推广到微极材料,建立分析和预测-γTiAl基合金的塑性行为尺度效应的细观力学模型。结果表明:-γTiAl基合金的微结构尺度对其宏观塑性硬化行为存在显著的影响;近片层组织-γTiAl基合金中PST晶体颗粒的尺寸越小,合金中硬相夹杂PST颗粒的体积分数越大,合金材料相应的塑性硬化越明显;微极基体的塑性特征尺度与等轴γ晶粒的平均尺寸大小在同一数量级。

γ-TiAl基合金在不同温度下的氧化行为

采用热重法研究γ-TiAl基合金在700℃、800℃、900℃和1000℃的静态空气中的等温氧化动力学．．使用金相光学显微镜和扫描电镜分析了氧化层的形貌和组织结构。采用x射线衍射仪测定了氧化层的相结构。研究结果表明，在700℃恒温氧化时，γ-TiAl基合金未发生氧化，而在800～1000℃氧化产物为TiO2与Al2O3，且存在分层现象。随着氧化温度的升高及氧化时间的延长，γ-TiAl基合金的氧化皮出现剥落现象，氧化增重逐渐明显。

高功率脉冲电子束快速熔凝γ-TiAl基合金的研究

对高功率脉冲电子束轰击γ TiAl基合金表面产生的显微结构变化以及性能的改善进行了研究。结果表明 ,快速熔凝会破坏γ TiAl基合金表面熔区中长程有序的结构 ,形成亚稳的无序固溶体。SEM、TEM、AFM等测试结果证实了赝火花脉冲电子束与γ TiAl基合金间相互作用及表面微区显微组织的结构变化。