氢化钛粉末冶金法制备高温钛合金基础研究

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高温钛合金因其比强度高、高温抗氧化性好,被广泛用于航空发动机上,其常用的制备方法为熔炼法,该方法容易造成组织不均匀,产生偏析的现象从而影响合金性能,粉末冶金法可减少成分偏析且能近净成形。本文采用粉末冶金法,以氢化钛为主要原料,通过冷等静压+真空烧结的方法制备高温钛合金。本文从理论上设计了高温钛合金成分、研究了氢化钛脱氢除氧机理以及氢化钛对合金性能及相变温度的影响机理,为后续实验提供了理论基础。通过实验研究了氢化钛含量、烧结温度、β相稳定元素W、Nb对高温钛合金的物相组成、化学成分、微观结构以及力学性能的影响。主要结论如下:(1)通过铝当量、钼当量公式设计合金成分为Ti-6.5Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.4Si,采用差热分析实验确定该合金起始相转变温度为891℃,相变点为1273℃;使用Arrhenius公式计算出合金的本构方程为:ε?(28)5.94?1014[sinh(.00036?)].407exp(-340247/RT)。(2)烧结温度为1150℃,烧结时间为4h,随氢化钛含量的增加,合金外观的金属光泽明显增加,合金中氧含量降低,说明氢化钛在促进烧结的同时,也能降低氧含量;氢化钛中氢的脱除效果较好,合金只存在微量的氢元素,且对合金相组成影响不大;随着氢化钛含量的增加,组织由等轴组织转变为网篮组织,合金孔隙减少,相对密度可达到95.45%,力学性能增加,室温抗拉强度达到460.1MPa,硬度达到298.4HV。(3)钛源全部为氢化钛,烧结时间为4h,随着烧结温度的增加,晶粒逐渐长大,相对密度进一步提高,达到95.84%,力学性能先增加后减少。在烧结温度为1150℃时,室温抗弯强度最高为556.2MPa;相较于合金理论相图,实验所得合金中没有出现Ti3Al、Sn3Zr5。(4)钛源全部为氢化钛,烧结时间为4h,烧结温度为1150℃时,0.5%的W能小幅度提高力学性能;1%W可提高抗弯强度52.4MPa,提高硬度31.4HV,降低抗拉强度122.5MPa;W对合金的高温压缩强度影响较大,W含量为0.5%时,可提高合金的流变应力,在750℃时流变应力最大为505MPa;W含量为1%时,在应变速率(0.1s-1)及变形温度(750℃800℃)较低的情况下对合金高温强度有利,但应变速率和变形温度提高后,对合金高温强度不利,故W添加量为0.5%时,可获得室温和高温性能较好的合金。(5)钛源全部为氢化钛,烧结时间为4h,烧结温度为1150℃时,随着Nb的增加,合金中会析出ZrSi和Mo5Si3两个物相,组织逐渐细化。Nb的加入会降低合金的室温力学性能;Nb对合金的高温性能有一定的影响,Nb添加量为1%时,可提高小幅度合金的高温强度,在750℃时流变应力最大,为490.1MPa,Nb添加量为2%时,会降低合金的高温强度,比较两种β相稳定元素,W对合金的高温性能影响较大。
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