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本文采用定向凝固方法制备了Cr、Mo、Mn、Sc复合微合金化的Ti-Al-Nb合金,系统研究了合金的微结构、室温/高温静态拉伸力学行为与高温蠕变变形/断裂特性。研究表明:(1)高Al含量的Ti-45Al-3Nb和Ti-45Al-3Nb-0.5Sc合金呈全片层状组织,其片层取向与生长方向成45°;Ti-45Al-3Nb-2Cr-1Mn-0.5Sc和Ti-45Al-3Nb-2Mo-2Cr-1Mn-0.5Sc为双态结构,其中前者片层与抽拉方向大体平行,而Mo的加入,促进合金中大量长条状与叶脉状B2相的生成,致使片层无明显取向。Al含量较低时,所制备的两种Ti-Ti3Al-Nb合金均呈网篮状组织,但Ti-16Al-12Nb-3Cr-1Mo中的片层方向较Ti-16-12Nb的更倾向于与抽拉方向平行。(2)复合合金化可显著提高Ti-Al-Nb合金的强度、塑性与断裂韧性。然而,加入β相稳定化元素后所产生的大量B2相,在一定程度上降低了材料的抗高温蠕变能力。(3) Ti-45Al合金在经过1350℃4个小时热处理后,合金强度增强,塑性降低,蠕变抗力增强。(4)合金成分显著影响材料的高温蠕变行为,具体表现为: a. Ti-45Al-3Nb-0.5Sc合金在800℃下的蠕变应力指数为4.5。Ti-45Al-3Nb-2Cr-2Mn-0.5Sc合金在850℃和900℃下的应力指数分别为5.3和6.4。Ti-45Al-3Nb-2Mo-2Cr-2Mn-0.5Sc在850℃和900℃下的应力指数分别为5.4和5.8,然而在800℃下,随着应力的增加应力指数分为两个区域,在低应力区2.5,高应力区5.7。Ti-45Al-3Nb-2Cr-2Mn-0.5Sc合金的真实蠕变激活能是318 kJ/mol ,其值接近于多元TiAl的自扩散激活能,然而Ti-45Al-3Nb-2Mo-2Cr-2Mn-0.5Sc合金的真实蠕变激活能为486 kJ/mol。TEM照片显示在片层中的普通位错控制着组织变形,同时在蠕变过后观察到变形孪晶,割阶和大量的第二相析出颗粒。微量Sc以小片层状Ti3(Al, Sc)化合物的形式存在于γ/α2相边界和γ相中,起到钉扎的作用并且阻碍位错的滑动。蠕变变形是由位错滑移/攀移控制的。b. Ti-Ti3Al-Nb两种合金在600℃和650℃下,随着应力的增加,应力指数出现了两个区域:低应力区应力指数值为3.5-5.3,高应力区为8.3-12.3,这表明蠕变机制也发生了转变。在700℃下没有发现应力指数转变,随着应力的增大(100-350MPa)只出现了一个应力指数区域,值为5.3-6.0。蠕变的真实蠕变激活能为303-324 kJ/mol,非常接近α2-Ti3Al的蠕变激活能(288-312 kJ/mol)。合金的最初组织形态是不稳定的,经过长期的蠕变以后,在高应力和一定的高温度下,发生了动态回复再结晶。蠕变变形的第一区域是位错控制的蠕变机制,而在高应力区第二区域,是由于整体晶粒尺寸减小造成的再结晶控制的蠕变机制。断裂类型和总的伸长应变依赖于材料的成分,测试温度和应力水平。在第三阶段,应变率不断增加,是由于微观组织不稳定或者形核,连接在一起,最终形成孔洞或者断裂。