放电等离子烧结TiAl基合金组织性能及热变形行为研究

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TiAl基合金具有低密度、高比强度、较好的高温抗氧化能力及优异的耐腐蚀性能等,被认为是最受关注的高温结构材料之一。然而,其室温塑性低和成形性能差等局限限制了在工业上的大规模使用。为了提高TiAl基合金的综合性能及加工成形性,本文采用气雾化方法制备了Ti-46.5Al-2.15Cr-1.90Nb-(B,Y,Mo)粉末,并通过优化与温度有关的放电等离子烧结工艺参数,制备出性能优异的TiAl基合金。此外,采用等温双道次热变形实验,探究了不同加工工艺参数对热变形行为的影响规律。最后,分析了合金变形过程中的软化机制,为提高TiAl基合金的成形性能提供实验依据。探究了烧结温度、控温模式和升温步骤对放电等离子烧结制备TiAl基合金显微组织、致密化及性能的影响规律。结果表明,随着温度的增加,雾化粉末首先发生亚稳α2→γ相变,在烧结温度为1100℃时,合金获得近γ组织,当烧结温度达到1250℃时,TiAl基合金生成大量α2/γ片层,转变为双态组织。手动控温模式下温度变化较为稳定,自动控温模式下温度上升存在波动,波动范围可达到±25℃。不同升温步骤对TiAl基合金显微组织及性能没有显著影响。温度对TiAl基合金致密化影响较大,温度较低时,合金存在明显的孔洞,致密化程度较差。温度越高,致密化速率越大。当烧结温度达到1100℃,烧结时间超过12min后,合金达到完全致密,继续增加烧结温度,对合金致密化影响不大。TiAl基合金性能受致密化和显微组织的综合影响,温度较低时,合金内部存在孔洞,综合性能较差。温度升高至1250℃时,TiAl基合金由近γ组织转变为双态组织,屈服强度有明显的下降。当手动两步升温至烧结温度1150℃时,认为TiAl基合金具有较为优异的综合性能,屈服强度为1084MPa,断裂强度为2477.6MPa,塑性应变为39.45%。TiAl基合金进行等温双道次热变形实验,实验结果表明随着变形温度的升高和应变速率的降低,合金的流变应力减小。在变形温度为1150℃和1200℃时,随着道次间隔时间的延长,由于亚动态再结晶软化作用,第二道次峰值应力逐渐降低。当变形温度为1250℃时,流变应力受软化和相变的综合影响,随着道次间隔时间的增加,TiAl基合金片层分数逐渐增加,致使第二道次峰值应力逐渐加大。TiAl基合金变形后晶粒尺寸受再结晶形核和长大的综合影响,随着再结晶过程充分发生,形核数量增多,平均晶粒尺寸减小,继续增加温度和变形量,为晶粒长大提供充足的驱动力,致使合金晶粒尺寸增大。道次间隔时间内的亚动态再结晶可以减少变形后的小尺寸晶粒,使晶粒分布更加均匀。变形温度为1150℃和1200℃时,TiAl基合金为近γ组织,其动态再结晶机制主要为连续动态再结晶,即通过位错不断积累,增加取向差形成小角晶界,取向差进一步积累形成亚晶界,通过亚晶旋转形成再结晶晶粒。此外,近γ组织合金还包括局部不连续动态再结晶和孪晶形核作为辅助再结晶机制。变形温度为1250℃时,合金出现片层,TiAl基合金片层的动态再结晶机制主要为不连续动态再结晶。通过位错在晶界处积累,发生晶界突出形核,形成再结晶晶粒。在道次间隔时间内TiAl基合金发生亚动态再结晶,通过再结晶晶粒合并,消耗内部畸变能,使合金实现软化。
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