Ti-47Al-1Cr-2Mn-0.5Fe-0.05Y合金高温变形和组织及性能研究

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TiAl基合金具有密度低,强度高,在高温服役环境下能保持高的强度和抗氧化性以及较好的阻燃性能等优良特点,使其成为航空航天及汽车领域一种重要的轻质高温结构材料,因此加快发展TiAl轻质高温结构材料具有重要意义。但TiAl合金的室温塑性较差,这是限制其工程化应用的重要瓶颈,本文通过包套锻造工艺来细化铸态组织,从而提高材料性能。采用真空感应熔炼方法制备出名义成分为Ti-47Al-Cr-2Mn-0.5Fe-0.05Y(at.%),尺寸为Φ110mm×150mm的合金铸锭,铸态为近γ组织,晶粒粗大,该合金实测成分为Ti-47.64Al-0.99Cr-1.31Mn-0.51Fe-0.02Y。采用Gleeble-1500D型热模拟试验机对铸造合金材料进行热压缩实验,热压缩温度在1050℃~1250℃之间,应变速率为0.01s-1~0.5s-1,变形量为70%。计算了该铸造合金材料的热激活能为352.36KJ/mol,建立了其本构方程;绘制了其在真应变ε=0.2时的功率耗散图、流变失稳图及热加工图。分析了该合金热变形时的组织演变规律,得出较合适的热加工工艺是温度在1180-1250℃之间,应变速率在0.05-0.1s-1之间。根据热模拟实验结果,对尺寸为Φ40×60mm的铸态圆柱形小铸锭进行包套锻造,采取两步锻造方式。实验中设定70%、75%及80%三个变形总量,对不同总变形量的锻饼进行组织性能分析。XRD和BSE分析结果表明锻态Ti-47Al-1Cr-2Mn-0.5Fe-0.05Y合金为近γ组织,晶粒被明显细化,室温拉伸实验结果表明变形量越大,合金力学性能越好;总变形量为80%的锻态合金在750℃和800℃下的抗拉强度分别为523.33Mpa和415.60Mpa,延伸率分别达35%和37.8%,该合金材料存在反常温度屈服现象;分析了合金的断裂机制;测试了室温下变形总量为80%的锻态合金断裂韧性值为13.89 MPa·m1/2。本文对总变形量80%的锻造Ti-47Al-Cr-2Mn-0.5Fe-0.05Y合金试样进行热处理实验来研究组织演变规律,实验中发现热处理时的保温时间对试样心部组织有重要影响,分别在1410℃保温20min和1430℃保温30min工艺条件下获得了双态组织与全层片组织,EBSD分析结果表明全层片组织中α2相的体积百分数为10.27%。
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