TiAl合金热加工过程中的组织演变与力学性能研究

【作者】 强凤鸣； 寇宏超； 王文； 王快社；

【机构】 西安建筑科技大学冶金工程学院功能材料加工国家地方联合工程研究中心； 西北工业大学材料学院凝固技术国家重点实验室；

【摘要】 Ti Al合金具有低密度、高比强、优异的抗高温氧化及抗蠕变性能等特点,是是航空航天飞行器热端部件实现减重增效的重要结构材料。作为最新一代β型γ-TiAl合金的典型代表,TNM合金(名义成分Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B, at.%)叶片已成功用于PW1100G发动机其主要成形方式为等温锻造和包套热挤压。通过热机械加工获得取向一致的细小全片层组织,对改善β型γ-TiAl合金的综合性能、推广其应用具有重要意义。因此,热机械加工过程中的变形机理及组织演变规律一直是近年来的研究热点。考虑到TiAl合金片层组织形成的相变机理(α→α2+γ)及位向关系,片层组织特征直接遗传高温α母相的特征,理论上讲,在高于Tγ,solv温度进行热机械加工,利用变形过程中的动态再结晶和织构化可细化高温α相并调控片层取向。为此,本文以TNM为对象,探讨了Tγ,solv温度之上热机械加工过程中高温α相的变形行为、组织和织构的演变规律,分析了少量β相对α相动态再结晶行为和组织演化的影响。在此基础上,选取具有强α相织构的热挤压TNM合金进行热处理,分析了高温α相在冷却过程中的组织特征,并评估了片层组织合金的力学性能,验证了通过热机械加工调控高温α相进而优化片层组织特征并改善力学性能的可行性,期望为Ti Al合金热加工成型提供依据。主要结论如下:(1) TNM合金高温α相在挤压变形后会形成理想的基面丝织构({0001}//ED)。随着挤压比的增加,织构强度增强,但织构组分发生了变化。挤压比为2.25时,高温α相表现为微弱<11-20>//ED丝织构,源于动态再结晶过程中的取向成核机制。挤压比为7.11时,高温α相织构由强烈的<10-10>//ED丝织构和微弱的<11-20>//ED丝织构组成,其中,<10-10>//ED组分为变形织构和再结晶织构,而<11-20>//ED组分源于再结晶晶粒的择优长大。(2) TNM合金在(α+β)两相区挤压变形,随着挤压比的增大,α晶粒的组织不均匀性加剧,表现在形貌、尺寸和β颗粒的分布上。这是因为挤压比的增大不仅会导致位错增殖速度大于位错重排速度,还使晶界β相呈条带状分布,加剧了不同α晶粒再结晶进程和晶粒长大的差异,导致α晶粒出现形貌和尺寸的不均匀。(3)挤压态TNM合金高温α相在冷却过程中具有明显的组织遗传性,所获得片层组织中片层取向具有显著的取向性,该类片层团内γ板条在室/高温拉伸时均容易发生孪生和层错变形,并与α2/γ界面发生交互作用,从而大幅提升合金的强塑性。室温下的UTS和EI分别为785 MPa和0.5%,800°C的UTS和EI分别为762 MPa和6.6%。同时,该状态合金也表现出良好的高温蠕变性能,在800℃/200MPa条件下的稳态蠕变应变速率约为2.07×10-8 s-1。更多还原