Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金热变形工艺参数优化

采用Gleeble-3500热模拟试验机研究了Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金在变形温度为1000~1200℃和应变速率为0.001~0.1 s^(-1)条件下的热变形行为,基于动态材料模型建立了合金的功率耗散图和加工图,分析了工艺参数对功率耗散效率和失稳参数的影响,并结合微观组织获得了最优工艺参数。结果表明,降低应变速率和提高变形温度,功率耗散效率和失稳参数总体均增大。根据加工图和微观组织确定出的Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金的流动失稳变形工艺参数范围大致为:1000~1100℃、0.004~0.1 s^(-1)和1100~1200℃、0.016~0.1 s^(-1),对应的失稳形式为裂纹形成。适宜的热变形工艺参数范围为:1000~1100℃、0.001~0.002 s^(-1)和1100~1200℃、0.001~0.01 s^(-1),其中最佳变形工艺参数分别为1050℃、0.001 s^(-1)和1175℃、0.001 s^(-1),对应的塑性变形机制主要为Nb固溶体的动态回复和Laves相NbCr_(2)的孪生。

机械合金化对Laves相Cr_2Nb固相热反应合成的影响

研究了机械合金化(MA)对Laves相Cr2Nb固相热反应合成的影响效果。结果表明,MA对Laves相Cr2Nb的固相热反应合成产生了活化效果,它使反应合成温度显著降低。未经MA处理的原始Cr、Nb元素粉充分合成出Laves相Cr2Nb的固相反应温度在1200℃以上,而经MA处理的球磨粉的充分反应温度可降低到900℃。MA时间对反应合成进行的程度有较大影响。在900℃×3h的退火条件下,使Laves相Cr2Nb充分反应合成的MA时间应不低于15h。

热压时间对Laves相Cr_2Nb合金组织与性能的影响

采用机械合金化+热压工艺路线制备化学配比成分的单相Laves相Cr2Nb合金。研究了Cr、Nb元素粉经20h球磨后在1300℃不同时间热压所获得的Laves相Cr2Nb合金的组织性能。结果表明,采用机械合金化+热压工艺可以制备出高致密度的组织细小均匀的Laves相Cr2Nb合金,随着热压时间的延长,合金的致密度、晶粒尺寸和维氏硬度逐渐增大而断裂韧度逐渐减小。1300℃×30min的热压试样的平均晶粒尺寸达到亚微米级,致密度达到98.7%,断裂韧度达到5.07MPa.m1/2,与熔铸法制备的Laves相Cr2Nb相比,室温断裂韧性提高,实现了细晶组织对Laves相Cr2Nb合金的增韧效果。

Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金的热变形行为及基于响应面法的变形工艺参数优化

Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金因具有作为高温结构材料应用的潜力而引起了较广泛的关注。本研究基于合金在1273~1473 K和0.001~0.1 s^(-1)条件下的等温恒应变速率压缩实验数据,分析了Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金的流变应力行为,计算了热变形激活能Q、功率耗散效率η和失稳因子ξ(■);建立了以变形工艺参数为输入变量,Q、η和ξ(■)为响应目标的响应面模型,并基于多目标优化获得了适宜的变形工艺参数窗口条件。结果表明,Laves相NbCr2/Nb两相合金为正应变速率和负温度敏感材料;在所研究的工艺参数范围,Q、η和x(e&)值分别在156.9963~659.3012 kJ/mol,0.0130~0.8127和-0.6229~0.6359范围波动,这说明合金的塑性变形能力对工艺参数变化敏感;所建立的Q、η和ξ(■)响应面模型具有较高的预测精度,其决定系数R^(2)分别达到0.992、0.999和0.953,平均绝对相对误差AARE分别为1.29%,0.63%和11.5%;变形工艺参数对Q的交互影响顺序(从大到小)为:变形温度/应变速率>应变速率/真应变>变形温度/真应变,而变形工艺参数对η和ξ(■)的交互影响顺序基本相同,即,变形温度/应变速率>变形温度/真应变>应变速率/真应变;基于低Q,高η和ξ(■)的多目标优化而获得的适宜变形工艺窗口条件为1440~1473 K和0.001~0.05 s^(-1),最佳变形工艺条件在1473 K、0.001 s^(-1)附近。对最佳变形工艺条件下的微观组织验证表明,基于多目标优化获得的变形工艺窗口条件是正确的。

低温退火温度对Laves相Cr_2Nb固相热反应合成的影响

研究了退火时间为3h时,退火温度对Cr-Nb机械合金化(MA)粉的Laves相Cr2Nb固相热反应合成的影响规律,获得了30hMA粉在退火时间为3h时能使Laves相Cr2Nb固相热反应合成充分进行的最低退火温度。优化出的Cr2Nb固相热反应合成低温退火温度,可为通过MA+热压(或烧结)工艺路线制备具有微/纳米晶结构的高强高韧Cr2Nb合金或Cr2Nb基复合材料提供理论指导。

低温退火时间对Laves相Cr_2Nb固相热反应合成的影响

研究了900℃退火时,退火时间对Cr-Nb机械合金化(MA)粉的Laves相Cr2Nb固相热反应合成的影响规律,获悉了15h MA粉在900℃低温退火时能使Cr2Nb固相热反应合成充分进行的最短时间。优化出的Cr2Nb固相热反应合成低温退火时间,为通过MA+热压(或烧结)工艺路线制备出具有微/纳米晶结构的高强高韧Cr2Nb合金或Cr2Nb基复合材料提供了可能性。

超细晶Laves相NbCr2颗粒增强Nb基复合材料的制备及其组织性能研究

采用机械合金化+热压工艺制备了Laves相NbCr2增强的Nb基复合材料。研究了Nb-22.5Cr配比成分的Nb,Cr元素粉经MA30h后在1250℃分别热压10min,20min和30min所获得的Nb/NbCr2复合材料的组织和性能。结果表明:三种热压时间均可制备出组织均匀,致密度高的Nb/NbCr2复合材料,体积分数约为30%的近等轴状的Laves相NbCr2颗粒弥散分布于Nb固溶体基体中。热压20min的试样具有最佳的组织和性能,其Laves相NbCr2的晶粒尺寸达到亚微米级,致密度达到99.2%,维氏硬度为9.41GPa,屈服强度为2950 MPa,抗压强度为3345 MPa,塑性应变达到了7.01%,充分实现了Laves相NbCr2颗粒强化和细晶强韧化的效果。

Laves相Cr2Nb元素混合粉末的机械合金化

对Laves相Cr2Nb化学配比成分的元素混合粉末的机械合金化行为进行了研究.结果表明,在机械合金化过程中,Cr、Nb元素混合粉末首先变成复合粉末,复合粉末中的成分逐渐均匀并演变成过饱和固溶体.机械合金化40h后过饱和固溶体发生部分非晶化.粉末颗粒尺寸在机械合金化初期的5h内粗化,随后逐渐细化,50h后细至亚微米级.在50h的机械合金化过程中始终未发现Laves相Cr2Nb的合成.但15h的机械合金化粉末在900℃的较低温度下通过固相热反应合成出了Laves相Cr2Nb,而未球磨的原始粉末在此温度下未能合成.这说明机械合金化虽然没有直接合成出Laves相Cr2Nb,但产生了活化Laves相高温反应合成的效果,使合成反应温度显著降低.

Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金的应变补偿物理本构关系研究

Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金因其优良的高温力学性能而具有作为新型高温结构材料应用的潜力;流动应力本构关系反映了合金的热变形行为。本研究基于Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金在1000~1200℃、0.001~0.1 s^(-1)条件下的等温恒应变速率压缩实验数据,首次探讨了该合金在考虑变形温度对合金杨氏模量和自扩散系数影响的应变补偿物理本构关系。结果表明,基于蠕变指数n=5的应变补偿物理本构关系的相关系数R和平均绝对相对误差AARE分别为0.974和59.3%,说明该物理本构模型不适于表征该合金的流动应力行为;而基于蠕变指数n为变量的应变补偿物理本构关系的相关系数R和平均绝对相对误差AARE分别为0.984和10.6%,说明该物理本构模型能满意地表征该合金的流动应力行为,且其对流动应力的预测能力优于传统的Arrhenius本构模型。

MA和软第二相对Cr／Cr2Nb复合材料组织与性能的影响

采用机械合金化(MA)+热压工艺来制备以Cr固溶体为软第二相的Cr/Cr2Nb复合材料。研究了不同配比成分的Cr,Nb元素粉经20h球磨后,在1250℃,0.5h热压工艺下所获得的Cr/Cr2Nb复合材料的组织和性能。结果表明,随着偏离Laves相化学配比的Nb含量减小,合金的致密度、强度、塑性应变均增加,而维氏硬度减小,不同配比成分的合金均具有良好的室温断裂韧性。Laves相Cr2Nb含量高达78%的Cr-25Nb合金的组织均匀,Cr固溶体与Laves相间隔分布,晶粒尺寸达到微/纳米级,屈服强度和抗压强度分别高达1949MPa和2044MPa,塑性应变达到了7.26%。与熔铸工艺制备的Cr/Cr2Nb复合材料相比,合金的强度及塑性都有明显提高,充分实现了细晶和软第二相综合增韧的效果。

机械合金化-热压制备Nb/NbCr_2复合材料的组织与性能

采用机械合金化与热压工艺制备以Nb固溶体为软第二相的Laves相Nb/NbCr2复合材料。研究不同成分的Nb、Cr元素粉经20 h球磨后在1 250℃,0.5 h热压工艺下所获得的Nb/NbCr2复合材料的组织和性能。结果表明:随着偏离Laves相化学配比的Nb含量的增大,材料的致密度、抗压强度、塑性应变均增加,而维氏硬度减小。Laves相含量为29%的Cr-77.5Nb合金的组织均匀,Nb固溶体与Laves相间隔分布,晶粒尺寸达到亚微米级,屈服强度为2 790 MPa,抗压强度为3 174 MPa,塑性应变达到5.44%,充分实现了细晶和软第二相综合增韧的效果。

Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金高温流动应力行为及本构关系建立

采用Gleeble-3500型热模拟试验机对机械合金化+热压工艺制备的Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金进行等温恒应变速率压缩实验,研究合金在800~1200℃,0.001~0.1s^(-1)条件下的流动应力行为,并分别基于双曲正弦函数型Arrhenius方程和逐步回归法建立合金的本构关系。结果表明,Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金的韧脆转变温度在950~1000℃之间。当温度≤950℃时,合金尚未达到屈服就已发生断裂;当温度≥1000℃时,合金呈现出较好的塑性变形能力。合金流动应力随变形温度增加和应变速率降低而降低。合金在1050~1200℃、0.001 s^(-1)和1150~1200℃、0.01 s^(-1)条件下呈现流动稳态型特征;在1000℃、0.001 s^(-1),1000~1100℃、0.01 s^(-1)和1000~1200℃、0.1 s^(-1)条件下呈现流动软化型特征。基于双曲正弦函数型Arrhenius方程建立的峰值流动应力本构关系和应变补偿本构关系的平均绝对相对误差AARE分别为9.89%和13.859%;基于逐步回归法建立的全实验条件下的本构关系、流动应力稳态型曲线本构关系和流动应力软化型曲线本构关系的平均绝对相对误差AARE分别为8.63%、5.28%和6.83%。所建立的几种本构关系,可为Laves相NbCr_(2)/Nb两相合金的锻造工艺制定、锻造设备吨位选择以及锻造过程有限元数值模拟提供理论依据和基础数据。

合金元素对Laves相增强Nb基合金的相组成与力学性能的影响

采用机械合金化与热压烧结工艺制备了添加合金元素V和Fe的Laves相增强的Nb基复合材料。研究了添加质量分数4%V和Fe的Nb/NbCr2-4.0V和Nb/NbCr2-4.0Fe配比成分的元素粉,经MA20h后在1250℃热压30min所获得的Nb/NbCr2合金的组织和性能。结果表明:在热压过程中原位合成出细小弥散分布的三元Laves相Nb(Cr,V)2和Nb(Cr,Fe)2,并且V和Fe原子只占据Laves相中的Cr原子位置。制备出的Laves相增强Nb基合金接近全致密,组织细小均匀,晶粒尺寸小于500nm。Nb/NbCr2-4.0V和Nb/NbCr2-4.0Fe合金的断裂韧性分别达到5.3和6.3MPa·m1/2,其中Nb/NbCr2-4.0Fe合金不仅抗压强度达到2256MPa,其屈服强度和塑性应变也分别达到2094MPa和6.03%。

Nd2O3对NbCr2/Nb合金组织及性能的影响

采用机械合金化+热压制备了不同Nd2O3摩尔分数的NbCr2/Nb两相合金,研究了Nd2O3含量对合金组织及性能的影响。结果表明,Nd2O3的添加对合金的物相影响不明显;适量Nd2O3可有效改善合金的室温塑性、韧性,并提高其室温压缩强度,但当Nd2O3含量超过0.125%时,合金的室温性能下降,Nd2O3含量为0.125%的合金室温压缩强度和塑性分别为3 193 MPa和13.0%,相较于未添加Nd2O3的NbCr22.5合金提高了15.9%和137.2%。