ti-51al合金喷射成形及工艺基础研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文现代技术在追求更高性能和更高效率时往往会受到材料性能的制约，因此高新技术工业进一步发展的关键在于新型材料的开发。航空航天工业将部分科研重点放在新材料研发、新材料应用领域，希望能够研制出高温条件下具有优良性能的轻质合金。在高温材料领域，传统材料性能的开发潜力受到限制，但高温金属间化合物的出现使人们看到了新希望。金属间化合物具低密度、高比强度、高温性能优越和抗氧化性等优点，可望在航空航天、汽车和化学工业中发挥重要作用。因此，金属间[4]化合物的研究已成为近年来材料科学中一个十分活跃的前沿领域。其中，TiAl基金属间化合物是当今金属间

2、化合物研究的最热点，并以其密度、比刚度、高温比强度和阻燃性等方面的优势被认为是最有应用潜力的新一代结构材料，具体性能如表1-1所示。但TiAl基合金作为一种金属间化合物，原子间键合强度具有方向性，这[5]使得TiAl基合金在室温表现为本质脆性，这也成为阻碍TiAl基合金作为高温结构材料实际应用的最大障碍，同时TiAl基合金塑性、延伸率差，严重阻碍了其深化热加工。因钛铝合金熔点非常高且化学活性高，在钛铝熔炼制备过程中易于其他介质发生反应，这就进一步加大了TiAl基合金的研发难度，因此如何提高其室温延展性仍是材料科学中一个富有挑战性的前沿课题。表1-1TiAl、

3、Ti3Al、Ti基及镍基高温合金的性能对比密度弹性模量蠕变极限室温塑高温塑拉伸强度屈服强度合金/g·cm-3/GPa温度/℃性/%性/%/MPa/MPaTi基4.5~4.696~11060010~2515~50480~1200380~1150Ti3Al基4.15~4.7110~1457502~1010~20800~1140700~900TiAl基3.7~4.1160~180750~9501~410~600450~700400~630Ni基7.9~9.5190~210800~10903~2520~801250~1450800~12001.2论文研究的目的和意义

4、影响TiAl基合金室温性能的主要因素是微观组织，具有均匀细小的微观组织是该合金获得较好室温延性的前提。因此，材料工作者试图通过各种方法使TiAl基合金铸态粗大层片晶团破碎，获得细小、均匀的显微组织。目前改善钛铝合金显微组织的途径很多，如采用合金化成分，这种方法是通过添加合金元素，来细化晶粒，改善组织。如添加少量钒、铬和锰可以提高TiAl基两相合金的延性。另外一种改善钛铝合金微观组织的方法是通过工艺手段。常用的有等温锻造、热挤压、热模锻、轧制等，这些热加工工艺可在一定程度上改善钛铝合金组织，细化晶粒，使室温性能有较大改观。-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文粉

5、末冶金工艺是目前改善钛铝室温脆性的一种非常有效的手段。粉末冶金工艺可有效避免铸造过程中产生的缺陷，同时微小的粉末在冷却过程中基本属于快速凝固，这样可有效避免严重的成分偏析。用钛铝粉热压烧结的钛铝合金制品成分均匀、显微组织细小，另外在热压烧结时可加入适当的合金粉末，即采用合金化手段来提高粉末冶金制品的性能，因此这种工艺具有很大优势。但粉末冶金工艺存在的问题是钛铝粉末的制备和保存需要较为苛刻的条件，在一定程度上加大了成本。TiAl喷射成形技术整合了粉末冶金和快速凝固技术的优点。利用喷射成形技术生产的合金具有细小的晶粒、均匀的组织，显微组织明显细化，其室温塑性比铸

6、态提高很多，热加工性能好，可进行等温锻造，热机械加工，热等静压等深化加工处理。表1-2给出了TiAl合金生产的几种工艺及性能对比。目前国内外利用喷射成形技术规模化生产的合金主要有铝硅合金、铝锂合金、2000及7000系列铝合金、各种铜合金、不锈钢和特种合金等。这些材料已用于火箭壳体、尾翼、涡轮发动机涡轮盘等重要部件上。尽管喷射成形技术在许多合金方面得到了应用，在喷射钛铝方面也有很多研究在进行，但利用喷射成形技术制备钛铝合金方面很少有报道。表1-2喷射成形、粉末冶金及铸造钛铝合金冶金质量对比工艺方法致密度凝固速度晶粒度偏析程度可合金化程度成本氧化程度喷射成形中

7、快细小小高中中铸造高慢粗大大低低低粉末冶金低很快小小很高高高通过对以上几种情况的分析，如何通过试验和合理的模拟，利用超音雾化沉积设备，制备出晶粒细小的大尺寸沉积锭是本文研究目的。其中选择合适的熔炼坩埚、保温坩埚，设计改进雾化器，解决因钛铝合金太活泼而产生的熔炼、保温、雾化沉积等问题是本论文研究的关键。获得喷射钛铝基合金的科学的工艺参数，改善钛铝基合金室温塑性低、成形性差、热加工难等缺点，并通过后续加工处理获得组织进一步细小均匀的双态组织，使塑性韧性大幅提高，这无疑是TiAl合金成形技术的一个有价值、有潜力的探索性工作。1.3TiAl合金研究现状及分析1.3.

8、1国内外TiAl基合金研究历程二十世纪五十年代，有关