大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金锻坯的显微组织及力学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:amenking34875627
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TiAl合金具有低密度、高强度,良好的抗蠕变性能和抗氧化性能等优点,被认为是航空航天领域极具应用前景的轻质高温结构材料。但由于TiAl合金具有金属间化合物的本征脆性,限制了其发展应用。大量研究表明,TiAl合金经过热加工可有效改善其力学性能。本文选用高温变形能力优异的β-γTiAl合金为研究对象,名义成分为Ti-43Al-9V-Y(at.%)。研究了大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金铸锭的组织与成分的均匀性;对锻态合金的显微组织与力学性能进行了研究。对锻态合金进行了不同的热处理,研究了热处理态合金组织的演变规律,分析了显微组织与力学性能之间的关系。采用真空自耗电极电弧熔炼(VAR)技术制备了大尺寸Ti-43Al-9V-Y合金铸锭,铸态合金主要为β/B2和γ两相组成的近层片组织,β/B2相所占体积分数达19.1%。铸锭从心部到边缘部位的成分均匀性良好,组织形态发生了从近层片组织—双态组织—近层片组织+双态组织的变化,Y2O3的形态发生了从断续的网络状—颗粒状—网络状的变化。铸锭在0.5r纵向处切取拉伸试样表明具有最佳的室温拉伸性能,其抗拉强度为536MPa,断裂应变为0.79%。铸锭心部的断裂韧性性能稍优于边缘和0.5r部位处,主要是由于心部含有粗大的片层组织,对裂纹扩展起到较好的阻碍作用。对锻态合金进行显微组织表征发现锻坯具有良好的组织均匀性。锻态合金由细小的γ晶、β/B2相以及少量α2组成,经过锻造,合金发生了较为完全的动态再结晶,组织得到了明显的均匀细化,晶粒尺寸基本分布在10-25μm之间。经过锻造,合金的拉伸性能得到了显著提高。室温时,锻态合金的抗拉强度达806MPa,延伸率为2.9%。650℃时,合金的抗拉强度为702MPa,延伸率为5.8%,温度进一步升高,合金的抗拉强度降低,延伸率明显升高。800℃时,合金的延伸率达到了55%,合金表现出了明显的塑性断裂的特征。在垂直锻造方向的试样断裂韧性KIC值为18.7 MPa?m1/2,明显优于平行锻造方向的试样的断裂韧性。研究了热处理工艺对锻态合金组织与性能的影响。将锻态合金在1180℃-1350℃之间高温进行淬火,分析了锻态合金的高温相组成。锻态合金经过热处理工艺1250℃/30min/FC得到双态组织,双态组织的室温抗拉强度为710MPa,延伸率为1.27%。近层片组织的热处理工艺为1360℃/10h/FC,α2/γ层片尺寸约为145μm,近层片组织的室温抗拉强度为678MPa,延伸率为0.87%。锻态合金经过热处理工艺1220℃/2h/FC得到等轴组织,其室温抗拉强度为663MPa,延伸率为1.06%。700℃时,双态组织也表现出了较好的综合力学性能,抗拉强度和延伸率分别为557MPa和23.5%。热处理并没有完全消除β/B2相,分布在层片晶周围的β/B2相有利于限制α2/γ层片晶的长大。随着热处理温度的升高与时间的延长,α2/γ层片的体积分数增加,合金显微硬度会增大。近层片组织表现出了较好的断裂韧性性能(24 MPa?m1/2)主要是由于α2/γ层片对裂纹萌生和扩展起到了阻碍作用。
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