Ti_(2)AlNb合金粉末热等静压成形的组织和性能

分别采用等离子旋转电极雾化法(Plasma rotating electrode process,PREP)和无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(Electrode induction melting gas atomization,EIGA)制备了Ti_(2)AlNb洁净预合金粉末,并对预合金粉末进行了表征。通过热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)工艺制备了Ti_(2)AlNb合金,研究了制粉工艺对Ti_(2)AlNb合金显微组织与力学性能的影响。试验结果表明,与PREP法相比,EIGA法制备的Ti_(2)AlNb粉末振实密度更高;基于粉末热等静压近净成形技术,在1030℃/140 MPa/3 h的条件下开展了Ti_(2)AlNb叶轮的成形研究,有限元模拟结果显示,粉末振实密度越高,部件热等静压后变形程度越小,综合考虑构件成形,优选振实密度更高的EIGA制粉工艺制备Ti_(2)AlNb粉末合金复杂部件。

Ti_(2)AlNb合金瓦楞板电流辅助辊压成形研究

目前采用辊弯-热校形复合工艺制备Ti_(2)AlNb合金瓦楞板存在工艺周期长、能耗高、构件易氧化及易回弹等缺陷的问题,提出了Ti_(2)AlNb合金瓦楞板电流辅助辊压成形工艺,通过有限元数值模拟分析了Ti_(2)AlNb合金瓦楞板成形及电流密度场演化规律。结果表明,瓦楞板变形主要分布在辊弯成形位置,且辊压前角的应变略高于后角。辊弯成形位置的电流密度与辊轮接触状态相关,在整个成形周期内,其电流密度先增加后减小。电流辅助辊压成形利用电迁移效应可显著抑制瓦楞板的回弹缺陷,瓦楞板的成形角度由125.53°降低为120.07°。

模拟海洋环境Ti_(2)AlNb合金高温腐蚀行为研究

通过设计高温氧化试验、高温热盐腐蚀试验、高温热盐-水汽协同腐蚀试验,系统开展模拟海洋环境Ti_(2)AlNb合金的高温腐蚀行为与机理研究。利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析Ti_(2)AlNb合金物相结构特征、微观腐蚀形貌及腐蚀产物成分。研究结果表明,经650℃氧化400 h后,Ti_(2)AlNb合金的氧化增重仅为0.507 mg/cm^(2),表面原位生成均匀致密的氧化层,其厚度约3μm。经650℃热盐腐蚀400 h后,Ti_(2)AlNb合金增重高达4.049 mg/cm^(2),表面氧化层呈棕黄色且厚度高达150μm。热盐试验过程中混合盐共晶反应产生的Cl_(2)作为催化载体加速合金腐蚀降解,其诱导形成的气态氯化物及腐蚀产物(如NaNbO_(3)和Na_(2)TiO_(3))最终导致氧化层的严重开裂和剥落,使合金整体严重失效退化。经650℃热盐-水汽协同腐蚀400 h后,Ti_(2)AlNb合金的腐蚀损伤进一步加剧,水汽环境导致其表面氧化层腐蚀降解及HCl形成,而HCl内渗进一步加速了基体合金降解。此外,混合盐的内扩散及其共晶反应所产生的Cl_(2)会与水反应再次形成HCl,而HCl进一步加速Ti_(2)AlNb腐蚀降解进程,并导致大量疏松腐蚀产物堆积和脱落,即高温热盐-水汽强耦合效应严重威胁Ti_(2)AlNb合金的服役寿命。

烧结温度对Ti_(2) AlNb合金显微组织及高温拉伸性能的影响

采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了Ti_(2)AlNb合金,研究烧结温度对Ti_(2)AlNb合金微观组织及力学性能的影响,并使用电子万能试验机及维氏硬度仪对其拉伸性能及硬度进行测试。结果表明:烧结温度为1000℃时,Ti_(2)AlNb合金因为析出O相最多,所以其高温拉伸性能最佳、硬度最高。随着烧结温度的升高,析出O相变少,高温拉伸性能及硬度均降低。对1200℃烧结制备的Ti_(2)AlNb合金进行不同工艺的热处理。热处理后,Ti_(2)AlNb合金的组织由等轴组织转变为魏氏组织,且采用炉冷方式冷却的Ti_(2)AlNb合金组织细化最明显,析出O相最多,硬度最高。

Ti_(2)AlNb合金热模拟焊接热影响区的组织与力学性能

Ti_(2)AlNb合金因其较高的比强度和高温抗氧化能力,是先进航空发动机热端部件的重要候选材料。但作为金属间化合物材料,其焊接性能是一重要挑战。为了解焊接热循环对合金组织性能的影响规律,使用Gleeble3500热模拟试验机模拟了Ti_(2)AlNb合金焊缝附近热影响区的热循环,研究了冷却速度对焊接热影响区组织与性能的影响;根据热膨胀-温度曲线,结合不同冷速下合金的显微组织,建立了Ti_(2)AlNb合金焊接热影响区连续冷却转变(SH-CCT)曲线。结果表明:在快速加热至B2单相区后的连续冷却过程中Ti_(2)AlNb合金中主要析出相为O相,α_(2)相的析出量很少。随着冷却速度的增加,析出相的数量逐渐减少、尺寸降低,且α_(2)相的析出率先被抑制,B2相向O相转变的温度区间缩小。冷却速度低,合金中析出相数量多,强度高,但塑性低。反之,随着冷速的增加,残留B2相增多,合金的塑性得到改善。

SPS烧结时间对Ti_(2)AlNb合金组织与力学性能的影响

采用高能球磨法和放电等离子烧结技术(SPS)制备了Ti_(2)AlNb合金,研究了不同烧结时间对Ti_(2)AlNb合金微观组织及力学性能的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对合金显微组织及物相结构进行表征,利用万能拉伸试验机对合金拉伸性能进行测试。结果表明,烧结时间不会改变合金的物相组成,不同烧结时间下所制备的Ti_(2)AlNb合金均由B2相、胞状α2相和针状O相组成;在烧结温度1000℃、烧结时间70min、压强50MPa条件下,Ti2AlNb合金中针状O相数量较多且分布均匀,其室温拉伸强度可达454.6 MPa。

Ti_(2)AlNb合金蜂窝结构电流辅助成形-扩散连接工艺研究

Ti_(2)AlNb合金蜂窝结构采用辊弯-热校形-点焊复合工艺制备,存在工艺周期长、能耗高、构件精度低、可靠性差等缺陷。本文提出Ti_(2)AlNb合金蜂窝瓦楞板电流辅助辊压成形工艺,利用局部成形位置的高电流密度抑制构件回弹。同时,采用扩散连接工艺制备蜂窝结构,实现蜂窝结构的可靠连接。当电流密度高于阈值(20 A/mm^(2))时,电流密度对于V形弯曲回弹的抑制作用显著。当电流密度达到60 A/mm^(2)时,V形弯曲回弹已基本消除。在瓦楞板电流辅助辊压成形过程中,当最大电流密度增大至66 A/mm^(2)时,瓦楞板的成形角度由125.5°降低为121.3°。设计了Ti_(2)AlNb蜂窝结构扩散连接工装,在970℃/15 MPa/2 h热压工艺参数下,制备了蜂窝结构样件,六边形元胞的尺寸一致、精度高。

Ti_2AlNb合金在不同温度下的热盐腐蚀行为

为提高Ti_2AlNb合金作为航空发动机部件在海洋环境下服役的可靠性,研究名义成分为Ti-22Al-23Nb-1Mo-1Zr(原子分数/%)的Ti_(2)AlNb合金在550,650,750℃时涂盐Na_(2)SO_(4)/NaCl(95/5,质量比)的热腐蚀行为,绘制不同温度下合金的腐蚀增重曲线,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对热盐腐蚀后合金的表面形貌、截面结构以及腐蚀产物进行观察分析。结果表明:550℃时合金腐蚀速率较低,表面氧化层平直、致密且完整,表现出优异的抗热盐腐蚀能力;650℃时合金腐蚀增重曲线符合抛物线规律,氧化层表面发生小范围的剥落,内部出现裂缝且有轻微的分层现象,合金整体上表现出良好的抗热盐腐蚀能力;750℃时合金腐蚀过程中出现明显减重,氧化层表面严重开裂剥落,内部出现明显的层状结构,由两种腐蚀产物层交替叠加:其中主要腐蚀产物层以TiO_(2)为主并含有NbAlO_4等多种腐蚀产物,另一层以NaNbO_(3)为主,合金的抗热盐腐蚀能力严重下降。

Ti_(2)AlNb合金应变速率敏感指数和应变硬化指数与变形参数和晶粒尺寸关系研究

以Ti_(2)AlNb合金板材为研究对象,基于变形温度为1 273~1 423 K、应变速率为0.001~10 s^(-1)范围内的等温恒应变速率热压缩实验,深入分析了变形参数和微观组织对应变速率敏感指数m和应变硬化指数n的影响。结果表明:Ti_(2)AlNb合金的流动应力随变形温度的升高和应变速率的降低而减小;Ti_(2)AlNb合金等温压缩过程中的峰值m为0.61,出现在1 323 K/0.001 s^(-1);当变形温度为1 273~1 323 K时,m随应变速率的增大而减小,当变形温度为1 373~1 423 K时,m随应变速率的增大而增大;当应变速率为0.001 s^(-1)时,n随应变的增大呈现先减小后增大的趋势,而当应变速率为0.01~10 s^(-1)时,n却呈现先增大后减小的变化趋势;Ti_(2)AlNb合金应变硬化指数n值和应变速率敏感指数m值均随着晶粒尺寸的增大而减小;Ti_(2)AlNb合金板材较优的加工区间为1 273~1 323 K/0.001~0.01 s^(-1)以及1 373~1 423 K/0.1~1 s^(-1)。这对通过工艺优化组织,进而改进Ti_(2)AlNb合金板材的性能具有重要的理论意义和工程价值。

Ti_(2)AlNb合金电子束焊接头残余应力及变形的数值模拟

目的研究平板对接电子束焊接过程中Ti_(2)AlNb合金接头的残余应力及变形规律。方法采用高斯圆柱体和高斯面组合热源模型模拟了6.6 mm厚的Ti_(2)AlNb合金平板对接电子束焊过程,对比研究了高焊速高束流和低焊速低束流2种工艺参数下焊接接头的残余应力和变形分布规律,并用小孔法测量了焊缝中心及距焊缝中心10mm位置的残余应力值。结果在高焊速高束流参数下,获得了熔池体积小、熔池宽度窄(为3.62 mm)、深宽比高的焊缝;在该参数下焊缝横截面上的高应力集中区(应力在900 MPa以上)尺寸较小,其宽度仅为低焊速低束流参数下的89%;同时,在高焊速高束流参数下,焊缝法向变形最大值为0.79 mm,低于低焊速低束流参数下的0.82mm;模拟计算所得残余应力与实测值的误差在5.64%以内。结论高束流高焊速工艺具有热输入小、热量集中、加工效率高的特点,有助于获得高应力集中区域小、深宽比高、变形小的焊缝,比低束流低焊速工艺更具优势。

多维超声振动铣削Ti2AlNb合金试验研究

Ti2AlNb合金的硬脆性较大,传统的切削工艺在切削加工中存在的切削热高导致刀具耐用度低和加工质量差等问题。本文采用切削仿真与试验研究相结合,应用二维、三维超声振动切削和普通切削进行Ti2AlNb合金切削特性的对比研究。结果表明:超声振动的三向切削力小于普通切削的,沿刀具进给方向,二维和三维超声振动相对于普通切削的切削力最大分别下降了48.6%和28.3%。3种不同的切削方式在相同的切削参数下加工出完全不同的表面微织构形貌,三维超声振动加工出“麦穗状”,且“麦芒”出现在超声分离特性较强的刀具进给方向上。随着机床转速增加,二维超声振动产生的粗糙度值相对于普通切削下降率最大为45.3%。随着振幅增加,超声振动引起的刀屑分离作用增强,在刀具二维超声振动振幅为8μm时,工件表面粗糙度下降了64.5%。试验结果表明,超声振动加工是提高Ti2AlNb合金的切削性能的有效手段之一。

压力对Ti_(2)AlNb合金扩散焊接头组织与性能的影响

针对Ti_(2)AlNb合金进行直接固态扩散焊,研究压力对合金扩散焊接头组织与性能的影响,使用扫描电镜分析焊接接头的显微组织随压力的变化规律,对不同压力下的焊接接头进行室温拉伸实验,分析接头性能随压力的变化趋势以及接头的断裂机制。结果表明:随着压力的增加,试样表面的变形量增大,在高温下变形区域发生动态回复与再结晶,促进了连接面处孔洞的愈合,焊合率因此逐渐升高;Ti_(2)AlNb合金扩散焊接头可以分为再结晶区、变形区以及母材三部分,其中再结晶区主要由等轴的B2相以及α_(2)相组成,随着扩散焊压力的增加,再结晶区的宽度明显变宽;焊接接头的强度随着压力的增加先升高后下降。当焊接工艺参数为960℃-60 MPa-120 min时获得的焊接接头性能最好,其抗拉强度为972 MPa,达到母材强度的98%;过大的压力使得再结晶晶粒粗化,且再结晶区和变形区交界处产生裂纹,导致接头性能反而恶化。

热处理对电子束选区熔化成形Ti_(2)AlNb合金组织与性能的影响

采用电子束选区熔化(selective electron beam melting,SEBM)成形技术制备了高致密的Ti_(2)AlNb合金试样,并以此Ti_(2)AlNb合金试样为对象,系统研究了它在不同热处理制度下的显微组织及物相组成,并对其硬度、室温及650℃拉伸性能以及断口形貌进行了分析表征。结果表明,电子束选区熔化成形Ti_(2)AlNb合金热处理态试样的微观组织主要由B2基体相、晶粒尺寸较大的板条状初生O/α_(2)相和细小的次生针状O相组成,950℃固溶+700℃时效试样的次生针状O相和α_(2)相含量较高,950℃固溶+800℃时效试样的初生O/α_(2)板条更为粗大。700和800℃时效热处理制度下Ti_(2)AlNb合金试样的显微硬度值接近,为3190~3210 MPa。950℃固溶+700℃时效处理试样的室温和650℃抗拉强度最高,分别为(1068±12.22)MPa和(843±39.72)MPa;而950℃固溶+800℃时效处理试样的室温和650℃下的延伸率更高,分别为(7.30±0.58)%和(8.50±0.50)%。950℃固溶+700℃时效试样的室温拉伸断口观察到较大尺寸的裂纹,时效温度提高到800℃后,裂纹消失,高温拉伸断口呈现出韧性断裂特征。

基于专利分析的Ti2AlNb合金技术与应用研究现状

对Ti_(2)AlNb合金的发明专利进行了检索、统计、分类和多角度分析。结果表明,自该合金被发明以来,与之相关的材料优化、制备工艺及应用研究一直在持续进行。随着Ti_(2)AlNb合金的潜在应用价值被发掘,专利申请数量快速增长。目前,Ti_(2)AlNb合金已发展至第二代,合金成分设计更接近实际工程应用,工艺探索目标也由材料向结构件发展。而且随着技术成熟度提升,应用研究的范围扩大。由于该领域技术门槛较高,全球范围的创新主体集中于中、美、法、日等少数国家。在中国,高校和科研院所是Ti_(2)AlNb合金的创新主体。

热轧及热处理对Ti_(2)AlNb合金板材显微组织及力学性能的影响

针对热轧后Ti_(2)AlNb基合金板材性能差,难以进一步实施冷轧的问题,本文将热轧后的板材进行不同相区的热处理,并对热轧及热处理后的显微组织及力学性能进行了系统的研究。结果表明:不同相区热处理后的显微组织内部变化差异较大。在较低温度热处理时α_(2)相含量增多,而在高温热处理时α_(2)相含量略微减少。随着热处理温度的升高,从B2相中析出的针状O相发生球化现象;且显微组织内部小角度晶界逐渐减少,位错密度也逐渐减小,而等轴状的再结晶晶粒增多。试样的织构分析表明,由于择优取向,热处理后B2相织构也发生了较大的变化,热轧后的{115}〈110〉织构组分向{001}〈110〉旋转立方织构转变,而{111}〈112〉织构组分随热处理温度的升高不断增强。随着热处理温度的升高,板材室温拉伸强度逐渐降低,伸长率则不断提高。经(1020℃,1 h,WQ)热处理后,板材屈服强度和伸长率分别为962 MPa和9.34%,较轧态试样分别降低12.3%和提高239.6%。这主要归因于O相的球化、α_(2)相体积分数降低、位错密度减小以及再结晶的共同作用。

Ti_2AlNb合金板材的电子束焊接

采用电子束焊接工艺研究Ti-22Al-24Nb-1Mo合金厚度为0.6 mm冷轧板的焊接性,用电子探针观察焊后焊接接头处的合金元素分布情况,通过光学金相显微镜、扫描电镜和透射电子显微镜对等对焊后及焊后热处理的焊接接头区域显微组织演变和相组成的变化进行了分析,利用维氏显微硬度计测试焊后及焊后热处理的焊接接头区域的显微硬度。结果发现:该合金板材具有良好的焊接性能,焊接接头未产生焊接缺陷;Al元素有一定程度的烧损,焊缝熔合区由柱状B2相晶粒组成;经焊后热处理,熔合区组织转变为(O+β)网篮组织;焊后及焊后热处理均为热影响区的硬度值最高;经焊后热处理,焊接接头的硬度显著提高。

Ti_3Al和Ti_2AlNb合金扩散连接界面的组织及力学性能

采用直接扩散连接Ti3Al和Ti2AlNb合金,研究了连接压力、连接温度、保温时间等工艺参数对接头界面组织形貌及性能的影响。利用扫描电镜、能谱分析和X射线衍射等方法观察分析了界面组织结构,并测试了接头的力学性能。结果表明:直接固相扩散连接接头的典型组织为Ti3Al/O相+α2相过渡层/富B2层/Ti2AlNb。当连接温度为1000℃,保温时间60min,连接压力为5MPa时获得的接头室温抗剪强度为635MPa,室温抗拉强度为795MPa,均断裂于Ti3Al母材一侧。经1000℃/60min热循环后Ti3Al母材的抗拉强度下降至原始母材的76%。连接温度低于950℃或保温时间小于60min会导致未焊合等缺陷;温度高于1050℃或保温时间超过120min则导致Ti3Al发生相变。

退火态Ti_2AlNb合金板材的超塑性变形行为

研究退火态Ti_2AlNb合金热轧板材在温度为940～980℃和初始应变速率为8.33×10^(-4)～1×10^(-2)s^(-1)时的超塑变形行为。结果表明:该合金具有良好的超塑性;在本实验范围内,其最高伸长率可达400%,最佳超塑条件为960℃和1.67×10^(-3)s^(-1),可用作超塑性成形工艺制作复杂构件。

渗铝温度对Ti_2AlNb合金高温抗氧化性能的影响

利用双辉等离子表面冶金技术在Ti_2AlNb合金表面制备渗铝层,借助SEM,EDS和XRD研究了3种工艺温度下(720,780和840℃)渗铝层的微观组织及其相组成,并测试了渗铝温度对Ti_2AlNb合金高温氧化性能的影响。结果表明:等离子渗铝层由沉积层和扩散层组成,随着渗铝温度的升高,扩散层厚度不断增加,且内部Al、Ti和Nb元素浓度呈梯度分布。经渗铝处理后的Ti_2AlNb合金在850℃空气中的氧化速度主要受扩散层Al元素与基体Ti、Nb元素之间的热扩散过程控制。氧化动力学曲线呈对数变化规律。在840℃制备的渗铝层具有最佳的抗高温氧化性能。

NaCl盐对Ti_2AlNb合金表面渗镀Al层热腐蚀行为影响

为提高Ti_2AlNb合金的实际使用温度,采用加弧辉光等离子渗镀技术在合金表面制备渗镀Al层,研究渗镀Al层在750℃下涂盐Na_2SO_4和Na_2SO_4+25%NaCl的热腐蚀行为。同时利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)对腐蚀产物的形貌进行观察,并结合X射线衍射对相组成进行分析。结果表明:渗镀Al层组织均匀致密,与基体结合良好。涂层可分为明显的3个区域:最外层Al_2O_3薄膜、次表层纯Al沉积层和内层Al-Ti-Nb扩散层。扩散层主要包括Al_3Ti﹑Al_3Nb和AlNb_2等相。渗镀Al层试样在750℃的Na_2SO_4盐热腐蚀100 h后,仅增重约2 mg/cm^2,表现出良好的抗热腐蚀性能;而在Na_2SO_4+25%NaCl混合盐中,试样则先增重后逐渐减重,整个涂层出现明显开裂和剥落,其原因是Cl–的渗入使表面形成的Al_2O_3膜被破坏,进而加速消耗涂层中的Al。