论文部分内容阅读
随着先进航空发动机对新型耐高温结构材料的要求越来越高，新型高温钛合金的制备及先进工艺的开发受到的关注也越来越多。高温钛合金的服役温度及服役能力的提高主要受到高温蠕变性能和热稳定性的影响，同时其性能受到合金元素组成、加工工艺、热处理方法及内部析出相的析出特征等影响。本研究以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α钛合金为基础，根据铝当量、钼当量设计准则，调整合金化元素，并添加Nb、Ta和Er提出新的合金成分，设计出能在600～650℃温度下服役的高温钛合金。对高温钛合金进行热加工及固溶时效热处理，对其显微组织、析出相进行观察分析和室温、高温力学性能测试，同时对其热稳定性和高温蠕变性能进行研究。 采用真空自耗电弧炉熔炼了成分为Ti-6Al-3Sn-5Zr-0.5Mo-1Nb-0.4Si-0.2Er（1＃）和Ti-6Al-3Sn-5Zr-0.5Mo-1Nb-1Ta-0.4Si-0.2Er(2＃)两种钛合金铸锭，对铸态合金显微组织进行观察，表明两种合金经熔炼后均为典型的片层组织。合金中稀土相主要由Ti、O、Al、Er组成，平均尺寸1μm，弥散地分布在晶界和晶内。铸锭在1150℃自由锻造开坯，在精锻工艺上分别选用了1000℃α+β两相区锻造和1050℃β相区锻造两种路径，反复镦粗和拔长后得到直径30mm的圆棒。 对锻态合金进行固溶时效热处理优化，最终确定1000℃/1h/AC+700℃/5h/AC的最佳固溶时效工艺。优化的固溶时效热处理后，1＃合金的组织为初生α相含量不同的双态组织，2＃合金得到双态组织和片层组织。对最佳固溶时效热处理工艺下的不同合金进行室温和650℃高温拉伸试验。两种合金四种状态的抗拉强度接近1050MPa，延伸率接近或达到10％。1050℃β锻造下的合金具有更高的屈服强度，1000℃α+β锻造下的合金具有较好的延伸率。650℃高温拉伸下，合金的强度超过670MPa，延伸率接近或超过20％。 对1000℃/1h/AC+700℃/5h/AC处理后的合金进行650℃/100h热暴露处理，热暴露后的显微组织与暴露之前没有太大变化，硅化物和α2相的析出更加充分。热暴露后的室温拉伸结果表明，热暴露后合金的强度与热暴露前相比都有一定的提升，其中含Ta的2＃合金提升的更为明显，为60～70MPa左右，由此可以知道，加入Ta元素之后合金具有更好的热强性。同时塑性与热暴露前相比都有一定下降，四种试样的延伸率分别下降38.1％、25.0％、16.7％和20.0％。 对1000℃/1h/AC+700℃/5h/AC固溶时效热处理后的高温钛合金进行测试条件为650℃/100MPa/100h的蠕变实验，合金均显示出良好的蠕变性能，四个试样的塑性伸长率分别为0.125％、0.111％、0.157％和0.171％。蠕变试样在高温蠕变过程中均有硅化物和α2相析出，同时硅化物和α2相对位错滑移和攀移起到了强烈的阻碍作用。在本研究中由于应力较小，因此蠕变变形主要从界面开始，这也导致相界及晶界处位错密度要高于相内和晶内。