Ti/Al/Nb复合粉末制备及热压烧结研究

作     者：张宏智 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡连喜

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Ti-45Al-8.5Nb合金 机械球磨 室温压制 真空热压 

摘      要：TiAl基合金材料由于其具有密度低、高温强度高、高温抗蠕变性能好等优点,有望发展成为新一代轻质耐热金属结构材料。其中,γ-TiAl合金则成为了高温结构应用的前沿候选材料,它具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的热稳定性和优异的高温力学性能。Nb少量添加可以提高抗氧化和抗蠕变能力,添加量在5%和10%之间添加可以增加高温强度。但高Nb-TiAl合金的脆性与高温变形抗力很高,一般铸造方式得到的合金组织粗大、不均匀。本文采用粉末冶金工艺元素粉末制备法制备成分为Ti-45Al-8.5Nb(at.%)合金,对材料的机械球磨工艺、室温压制规律和真空热压烧结工艺以及所得合金的显微组织与力学性能进行了系统化的研究。采用机械球磨工艺细化了Ti/Al/Nb三元合金复合粉末,对在不同控制剂、球料比、球磨转速、球磨时间的球磨参数下得到的三元复合粉末进行了粉末形貌、粒径、均匀性和合金化与否进行了分析。结果表明,控制剂能使粉末能连续细化,球料比为20:1时;粉末破碎效果明显加强;球磨转速为400rpm时球磨能量达到最高,400rpm时球磨粉末的粒径随时间的延长先减小再增加,最小可以到4.78μm;300rpm时球磨粉末的粒径随时间的延长而减小,最小可以达到7.64μm。对添加控制剂、球料比为20:1的机械球磨后的粉末进行室温压制研究,并利用压制方程对压制曲线进行线性拟合。通过冷压可以看出不同球磨参数下粉末的致密度与压制压力之间的关系变化基本一致。球磨转速为300rpm时,随着时间增加粉末颗粒逐渐减小,硬化指数逐渐减小、最小为1.8,压制模量逐渐增加、最大为22.8MPa;在球磨转速为400rpm时,在球磨时间为10h时,硬化指数达到最低、为1.9,压制模量达到最大,为20.5MPa。压制过程不同的压制压力与高径比也会对材料的冷压致密度有着显著的影响。对球料比为20:1、球磨转速为400rpm、球磨时间为10h的Ti/Al/Nb三元复合粉末在温度区间为1050℃-1450℃进行真空热压烧结实验。实验结果得出不同温度烧结得到的坯料均由Ti3Al、TiAl和少量Ti2Al C相组成。随着烧结温度的升高,坯料的相对密度逐渐上升,最高可以达到98.28%,在温度达到1350℃时形成典型双态组织。保温保压2h后,显微硬度最高可以达到428.2HV,室温压缩强度最高可以达到1725.7MPa,延伸率最高可以达到14.1%。在环境温度为800℃、应变速率为0.001s-1的条件下进行高温压缩,可以得到烧结温度为1350℃时强度则为最高,可以达到783.6MPa,此时材料的延伸率为16.3%;烧结温度为1450℃时强度可以达到694.8MPa,此时材料的延伸率极高,可以达到20.2%。