放电等离子烧结制备钛铝基合金及致密化机理研究

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1、分类号UDC博士学位论文密级放电等离子烧结制备钛铝基合金及致密化机理研究StudyonPreparationandConsolidationMechanismofTiAI--basedAlloyPreparedbySparkPlasmaSintering作者姓名：杨鑫学科专业：材料学学院(系、所)：粉末冶金研究院指导教师：奚正平教授副指导教师：刘咏教授论文答辩日期答辩委员会主席中南大学2012年12月原创性声明fIililllilllililllllllllllllfflllfY2422928本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指

2、导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：扬庭日期：卫竺年卫月旦日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权

3、中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。＼日期：丝年卫月笪日中南大学博士学位论文摘要近年来，y-TiAl基合金作为新一代轻质高温结构材料在全世界范围内引起了学者和科研机构广泛的关注和研究，但是较低的室温断裂韧性和高温蠕变抗性严重阻碍了Y．Ti灿基合金的和实际应用。本工作以等离子旋转电极雾化(PlasmaRotatingElectrodeProcessing，PREP)技术制各7-TiAI基预合金粉末为原料，采用放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering，SP

4、S)技术可以快速制备具有细小晶粒且含有少量高温残留p相的TiAl基合金。利用光学显微镜(0M)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、差热分析(DSC)、透射电镜(TEM)等分析手段系统的研究了工艺参数对获取高质量预合金粉末的影响，以及放电等离子烧结温度和成型压力对粉末烧结体显微组织、力学性能和粉末体致密化机理的影响，通过以上研究得到如下结论：1、对PREP制备的Ti．47A1．2Cr-2Nb．0．2W(at．％、)预合金粉末研究结果表明，采用该技术制备的合金粉末平均粒径约为85岬，球形度高，纯度高，平均氧、氮杂质分别为550p

5、pm和40ppm。确定了粉末直径与电极棒转速关系为：d=(12000／n)Dd尼一140。确定了粉末颗粒内部显微组织随着颗粒直径的增加由亚晶组织向等轴胞状枝晶演化规律；粉末主要由大量{12相和少量的丫相组成，随着粒径减小，丫相含量随之减小，仅2／丫比例增加，且会生成一定量的p(B2)相。2、研究了SPS烧结温度和成形压力对粉末烧结体显微组织和力学性能的影响。发现，在不同成形压力下烧结温度超过1100℃时均可获得致密度高于99．6％的致密体。SPS烧结TiAl基合金过程中，成形压力不会对烧结体显微组织产生影响，成形压力增加会改变烧结初

6、期粉末体密度和后期致密化程度。不同温度烧结试验表明合金粉末在900℃时，粉末烧结体以丫相为主，含少量0【2相；当烧结温度超过1200℃时，组织内存在少量高温残留B2相，a2相、p相和Y相存在如下晶体学关系：(0001k：∥{lll}F∥{110}fl，{f1120／a：∥{ffiO／r∥(ill／fl；1300℃烧结样品中有形变诱导0【2_丫相变以及形变孪晶产生。粉末烧结体显微组织主要取决于烧结温度，1100℃时为双态组织、1200℃时为近层片组织、1250℃为全层片组织。SPS烧结合金在1100℃具有最高的压缩断裂强度、压缩延伸率

7、和拉伸断裂强度，分别为2367MPa、600MPa和2．25％。室温拉伸性能测试表明，合金断裂方式为脆性断裂，高温(800。c时)拉伸时强度和延伸率分别为435MPa和45％。中南大学博士学位论文摘要3、系统研究了SPS制备眦l基合金过程的致密化机理。发现，在SPS制备Ti烈基合金过程中致密化可分为三个不同阶段，即初期粉末颗粒重排阶段、中期电火花放电烧结颈形成阶段和高温塑性变形致密化阶段。同一烧结温度下烧结中期小尺寸粉末颗粒相互粘结，随着烧结温度的升高，大尺寸颗粒发生大幅度塑性变形从而完成致密化。相同烧结温度下增加成形压力会增加第一

8、阶段致密化程度和第三阶段致密化速率，通过分析确定了烧结过程的致密化方程：第一阶段：pl=(2．654-0．4)0．01Pt，(1