tial基合金的組織超塑性研究

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1、博士學(xué)位論文摘要TiAI基合金因其具有高的比強(qiáng)度、比剛度，以及較好的高溫抗蠕變、抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但這類材料具有本質(zhì)脆性，一般難以加工成形，阻礙了其實(shí)用化。在超塑性狀態(tài)下成形是目前解決TiAI基合金成形最為有效的方法之一。為此，本文開展了TiAI基合金的超塑性研究工作。首先，采用快速包套鍛熱機(jī)械處理和非晶晶化法兩種工藝制備了細(xì)晶TiAI基合金，為超塑性變形提供條件：然后深入、系統(tǒng)地研究了TiAI基合金鍛態(tài)變形組織、鍛態(tài)雙態(tài)組織的拉伸超塑性性能和粉末冶金態(tài)組織的壓縮超塑性性能，包括力學(xué)性能和顯微組織演變；分析了TiAI基合金

2、的超塑性變形機(jī)理；并對(duì)超塑性變形過程中的孔洞行為與斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究?？焖侔族憻釞C(jī)械處理和非晶晶化法分別是制各細(xì)晶TiAI基合金的有效IM(鑄錠冶金)和PM(粉末冶金)方法。采用終鍛溫度為950℃的三步快速包套鍛熱機(jī)械處理工藝，得到了晶粒尺寸約為0．6岬的亞微米級(jí)TiAI基合金。對(duì)于鑄造TiAI基合金而言，晶粒細(xì)化主要表現(xiàn)為層片細(xì)化，通過研究層片結(jié)構(gòu)在熱壓力下的塑性變形行為和熱處理時(shí)組織的演變，分析了層片的細(xì)化機(jī)理。非晶晶化法是一種新穎的非平衡技術(shù)，該技術(shù)采用機(jī)械合金化法制各Ti一50at．％AI非晶粉末，經(jīng)預(yù)壓成形，然后在40MPa，1000℃，

3、lh條件下熱壓，得到了晶粒尺寸為0．15pJn的微細(xì)晶TiAI基合金。在機(jī)械合金化過程中，Ti-Al元素粉末的結(jié)構(gòu)演變過程為：Ti+Al專Ti(A1)過飽和固溶體(h．C．P)寸非晶相。在本研究所采用的成分范圍內(nèi)，Ti_A1系具有大而負(fù)的混合熱，Ti，Al兩元素間存在不均衡擴(kuò)散，符合形成非晶的SSAR(固態(tài)非晶化反應(yīng))機(jī)制。Ti一50at．％AI非晶粉末在660—750℃之間發(fā)生晶化反應(yīng)，其晶化過程為：非晶一0【相(h．C．p)一Y，其中，儀相是由無序非晶相向有序1，相轉(zhuǎn)變的介穩(wěn)相。采用上述工藝制備的細(xì)晶TiAI基合金獲得了良好的拉伸超塑性。其中，鍛

4、態(tài)變形組織在1050℃，8x10。5S。條件下得到了566％的延伸率：鍛態(tài)雙態(tài)組織在1050℃，IxlO。S。條件下，得到了350％的延伸率。尤其令人關(guān)注的是，鍛態(tài)變形組織表現(xiàn)出了優(yōu)良的低溫超塑性，它在800℃即出現(xiàn)超塑性，其延伸率達(dá)到313％：在900℃，5xlO。S～，常壓空氣中‘二■{一博士學(xué)位論文摘要得到了413％的最大延伸率：并且，在lxl01S。的較高應(yīng)變速率和常壓空氣中，還得到了350％的延伸率。這個(gè)結(jié)果對(duì)于TiAI基合金超塑性成形技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。在壓縮狀態(tài)下，TiAl基合金也表現(xiàn)出超塑性。采用恒應(yīng)變速率和應(yīng)變速率遞增法研

5、究了TiAI基合金超塑性變形的力學(xué)性能：延伸率、應(yīng)力一應(yīng)變曲線、應(yīng)變速率敏感性因子和變形激活能。不同組織形態(tài)TiAI基臺(tái)金的超塑性力學(xué)性能不同，它們受變形條件、顯微組織、晶粒尺寸、預(yù)變形、晶界結(jié)構(gòu)等因素的影響。重點(diǎn)研究了鍛態(tài)變形組織的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)超塑性變形時(shí)，其流變應(yīng)力、應(yīng)變速率、變形溫度和晶粒尺寸間存在特殊的依賴關(guān)系，并且這種依賴關(guān)系隨溫度區(qū)間而轉(zhuǎn)變。在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算表征各變形量間依賴關(guān)系的參數(shù)，包括：應(yīng)變速率敏感性因子川值、表觀激fie,Q,,pp值、晶粒尺寸因子P值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)擬合首次得到了TiAI基合金鍛態(tài)變形組織超塑性變形的經(jīng)

6、驗(yàn)狀態(tài)方程。此方程為分析TiAI基合金的超塑性變形機(jī)理提供了依據(jù)。在鍛態(tài)變形組織中，超塑性流變曲線中存在強(qiáng)烈的加工硬化現(xiàn)象，組織中由預(yù)變形引起的高密度位錯(cuò)是引起這種現(xiàn)象的主要原因。采用光學(xué)顯微鏡(OA)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等分析手段對(duì)TiAI基合金超塑性變形過程中組織演變研究的結(jié)果表明，經(jīng)過超塑性變形，三種組態(tài)TiAI基合金具有基本相同的組織特征，包括(1)晶粒仍然保持等軸晶形狀；(2)有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生：(3)有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。其中，經(jīng)過超塑性變形的TiAI基合金中的位錯(cuò)密度較小，主要分布在晶界和三角晶界附近，晶內(nèi)位錯(cuò)在晶界處容易被晶界

7、“吸收”而產(chǎn)生強(qiáng)烈的攀移和相消現(xiàn)象。晶界、三角晶界、晶界上的a。相及雜質(zhì)相是位錯(cuò)的“源”。在鑄態(tài)雙態(tài)合金中，經(jīng)超塑性變形后，組織中還有亞晶存在。提出了TiAI基合金的超塑性變形機(jī)理。在TiAI基合金中，超塑性流變是以晶粒群沿剪切帶共同滑動(dòng)的形式進(jìn)行的。由晶界位錯(cuò)的滑移和攀移運(yùn)動(dòng)共同協(xié)調(diào)的晶粒群協(xié)同滑動(dòng)是TiAI基合金的超塑性變形機(jī)理，其中，晶界位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)是變形的回復(fù)機(jī)制，晶界位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)既是變形機(jī)制又是變形的回復(fù)機(jī)制。這個(gè)機(jī)理對(duì)晶界滑動(dòng)的微觀過程作出了合理的解釋。采用該機(jī)理本文對(duì)TiM基合金超塑性本構(gòu)方程進(jìn)行了理論推導(dǎo)，推導(dǎo)出的方程與實(shí)驗(yàn)得到的

8、方程具有相同的形式，說明博士學(xué)位論文摘要本研究給出的超塑性變形機(jī)理具有相當(dāng)程度的合理性。另外，在TiAI基合