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Ti-(43-45)Al-4Nb-1Mo-0.2B合金轧制过程中显微组织演化及力学响应

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金属学报 2024年

作者：卫贝贝唐斌陈晓飞张翔朱雷刘仁慈李金山西北工业大学凝固技术国家重点实验室西北工业大学重庆科创中心西安理工大学陕西省电工材料与熔(浸)渗技术重点实验室中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心

微量Al含量的变化可极大地影响Ti Al合金的凝固路径，进而影响其热变形时所处相区。本工作通过电弧熔炼设备制备了不同Al含量的Ti-（43～45）Al-4Nb-1Mo-0.2B（原子分数，%，简称TNM合金）铸锭，并根据Al含量分别命名为43Al、44Al和45A... 详细信息

微量Al含量的变化可极大地影响Ti Al合金的凝固路径，进而影响其热变形时所处相区。本工作通过电弧熔炼设备制备了不同Al含量的Ti-（43～45）Al-4Nb-1Mo-0.2B（原子分数，%，简称TNM合金）铸锭，并根据Al含量分别命名为43Al、44Al和45Al。随后，采用热包套轧制法制备了TNM合金板材，系统研究了Al含量对TNM合金轧制过程中显微组织演化及力学性能的影响。结果表明，不同Al含量的TNM合金在1250℃变形时处于不同的相区。在轧制温度保温1h后，43Al合金主要以等轴α/α2晶粒为主；44Al合金形成了特殊的核（α2/γ片层团）壳（α/α2晶粒）结构；而45Al合金主要以大尺寸α2/γ片层团为主。轧制前初始组织状态影响了轧制过程中显微组织演化规律，也决定了最终板材的组织形貌。随着Al含量的增多，TNM合金轧板的显微组织由近片层转变为双态，最终转为近γ。此外，在43Al和45Al轧板中分别观察到新生α2/γ片层团和残余α2/γ片层团。44Al合金由于特殊的核壳结构，轧制后可以同时获得上述2种类型的α2/γ片层团。对TNM轧板的室温力学性能测试结果表明，随着Al含量的增加，TNM合金轧板的室温强度逐渐降低。43Al合金轧板由于新形成的片层组织而表现出最佳性能，而44Al和45Al合金轧板由于等轴γ晶粒增多、团聚、异常长大或残余片层团的存在等因素而快速断裂失效。

关键词： TNM合金包套轧制组织演化 α /γ片层团拉伸性能

磨削深度对γ-TiAl合金表面完整性和疲劳性能的影响

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金属学报 2024年第2期60卷 261-272页

作者：倪明杰刘仁慈周浩浩杨超葛术宇刘冬史凤岭崔玉友杨锐中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司沈阳110043 中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200241

γ-TiAl合金部件需要磨削加工以保证其装配精度,而低塑性金属间化合物γ-TiAl合金的力学性能对磨削表面完整性极为敏感。本工作研究了磨削深度对γ-TiAl合金样品表面形貌、表层显微组织、显微硬度等表面完整性参数及最终疲劳性能的影响... 详细信息

γ-TiAl合金部件需要磨削加工以保证其装配精度,而低塑性金属间化合物γ-TiAl合金的力学性能对磨削表面完整性极为敏感。本工作研究了磨削深度对γ-TiAl合金样品表面形貌、表层显微组织、显微硬度等表面完整性参数及最终疲劳性能的影响。结果表明,0.5 mm及以上深度磨削样品表面易产生裂纹,而0.2 mm及以下深度磨削样品表面完好,这与磨削变形热温升导致的冷却收缩拉应力过大有关。随着磨削深度增大,粗糙度参数的轮廓算术平均偏差(R_(a))和微观不平度的十点平均高度(R_(z))增大,偏度(R_(sk))减小。表层γ+α_(2)片层沿磨削方向弯曲变形,相应变形层厚度随着磨削量增大而增大,而显微硬度由表及里先减小后增大。γ-TiAl合金650℃加载440 MPa旋转弯曲疲劳寿命随着磨削深度增大而减小,磨削深度0.05 mm的样品疲劳寿命大于106cyc,磨削深度0.2 mm的样品疲劳寿命约为104cyc,其断口裂纹源可观察到磨削痕迹,这与其表面沟槽应力集中有关。γ-TiAl合金疲劳寿命随着R_(z)的增大而减小,2者呈非线性关系;当R_(z)小于4μm时,疲劳寿命稳定在106cyc以上。

关键词： γ-TiAl 磨削表面完整性粗糙度显微组织疲劳性能

冷却速率对Ti_3Al合金组织和拉伸性能的影响

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金属学报 2013年第11期49卷 1487-1492页

作者：王震曹磊刘仁慈刘冬崔玉友杨锐中国科学院金属研究所沈阳110016 东北大学材料与冶金学院沈阳110819

对两相区锻造的Ti_3Al合金棒材分别在1020和1150℃保温30 min,以10,1.5和0.3℃/s速度冷至室温,研究了冷速对Ti_3Al合金组织和拉伸性能的影响.结果表明,在1020℃固溶,冷速为10℃/s时,合金主要由B2相和α_2相组成;降低冷速,基体中均匀析... 详细信息

对两相区锻造的Ti_3Al合金棒材分别在1020和1150℃保温30 min,以10,1.5和0.3℃/s速度冷至室温,研究了冷速对Ti_3Al合金组织和拉伸性能的影响.结果表明,在1020℃固溶,冷速为10℃/s时,合金主要由B2相和α_2相组成;降低冷速,基体中均匀析出针状α_2/O相;冷速为0.3℃/s,等轴α_2/O相体积分数增加,针状α_2/O相粗化.随着冷速下降,合金的室温强度先升高后下降,塑性先降低后提高;600℃拉伸强度逐渐下降,塑性提高.在1150℃固溶,快速冷却时,合金主要由B2相构成,晶粒尺寸约为440μm;降低冷速,晶内均匀析出α_2/O相,呈网篮状;冷速0.3℃/s时,基体中析出的α_2/O相片层呈集束状.随着冷速下降,室温强度下降,而塑性先升高后降低;600℃拉伸强度先升高后降低,而塑性逐渐上升.结合组织分析表明,Ti_3Al合金的强度取决于晶界和α_2/O片层的尺寸,塑性受B2相体积分数以及α_2/O相的分布及体积分数影响.冷速为1.5℃/s时,Ti_3Al合金具有良好的综合力学性能.

关键词： Ti3Al合金冷却速率显微组织拉伸性能

Ti-45.5A1-2Cr-2Nb-0.15B合金热挤压组织与拉伸性能研究

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金属学报 2013年第6期49卷 641-648页

作者：刘仁慈王震刘冬柏春光崔玉友杨锐中国科学院金属研究所沈阳110016

采用包套近等温热挤压得到Ti-45.5Al-2Cr-2Nb-0.15B合金棒材.结合有限元数值模拟,研究了挤压变形组织的形成及各部位差异,获得了棒材不同部位组织与室温拉伸性能的关系.结果表明,热挤压变形有效细化了片层晶粒尺寸,棒材轴向各部位组织... 详细信息

采用包套近等温热挤压得到Ti-45.5Al-2Cr-2Nb-0.15B合金棒材.结合有限元数值模拟,研究了挤压变形组织的形成及各部位差异,获得了棒材不同部位组织与室温拉伸性能的关系.结果表明,热挤压变形有效细化了片层晶粒尺寸,棒材轴向各部位组织和室温断后延伸率较为均匀,但径向芯部与边缘差别较大,且这种径向组织性能差异未能通过后续α单相固溶热处理消除,挤压棒材各部位片层晶粒尺寸随有效应变的增大而减小,本工作所得挤压棒材中有效应变大于2.25处具有细小均匀组织,而组织类型差异主要由变形过程中的坯料温度变化所致,其中尾部边缘坯料温度受低温模具激冷作用而迅速下降,相应亚稳α相分解析出γ片层并在后续变形中失稳弯曲而形成界面扭曲的残余片层晶粒.各部位的断后延伸率随片层晶粒尺寸的增大而减小,但芯部断后延伸率较低主要归因于组织中存在片层界面与挤压方向接近垂直的片层晶粒.

关键词： γ-TiAl基合金包套热挤压有限元数值模拟全片层组织拉伸性能

Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B合金的包套热挤压组织与拉伸性能

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金属学报 2020年第7期56卷 979-987页

作者：刘先锋刘冬刘仁慈崔玉友杨锐中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

采用包套近等温热挤压工艺制备了Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B合金方形棒材,通过OM、SEM、XRD、TEM和拉伸等实验方法研究了方棒不同状态和位置的组织及拉伸性能。结果表明,方棒材的挤压态组织较为均匀,不同位置的微观组织无明显差异;挤压变... 详细信息

采用包套近等温热挤压工艺制备了Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B合金方形棒材,通过OM、SEM、XRD、TEM和拉伸等实验方法研究了方棒不同状态和位置的组织及拉伸性能。结果表明,方棒材的挤压态组织较为均匀,不同位置的微观组织无明显差异;挤压变形使铸锭组织片层取向趋于一致,趋向平行于挤压方向;晶界处γ相存在颗粒状、块状和长条状3种形态;β相在挤压过程中碎化和被拉长呈平行挤压方向纤维状。在TEM下观察,棒材边部位置片层完全碎化,而心部位置片层断裂后呈长条状。β0相中生成大量ω0相,两者位相关系遵循:■。方棒材的室温拉伸强度达到1000 MPa以上,室温延伸率为0.5%左右;800℃拉伸屈服强度达到400 MPa以上,表现明显塑性。热挤压合金经时效热处理后在β0相中生成大量透镜状γ相,时效处理提高了合金的高温拉伸性能,但无法消除ω0相。

关键词： β凝固 γ-TiAl合金包套热挤压变形组织拉伸性能

合金化对Nb-Si合金组织及力学性能的影响

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合金化对Nb-Si合金组织及力学性能的影响

作者：刘仁慈哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

Nb-Si基原位自生复合材料是极具开发利用价值的下一代高温结构材料,但其室温韧性差的弱点制约了其进一步发展应用。本文研究合金化对Nb-Si合金微观组织及性能的影响;通过金相显微镜、扫描电镜、XRD、透射电镜研究了合金化后Nb-Si合金的... 详细信息

Nb-Si基原位自生复合材料是极具开发利用价值的下一代高温结构材料,但其室温韧性差的弱点制约了其进一步发展应用。本文研究合金化对Nb-Si合金微观组织及性能的影响;通过金相显微镜、扫描电镜、XRD、透射电镜研究了合金化后Nb-Si合金的凝固组织演化及晶体结构;利用定量图像分析软件分析了合金化后固溶体的体积分数和尺寸变化;通过Gleeble-1500热模拟机、万能材料试验机和显微硬度计测试了合金化、热处理后材料力学性能变化。 Nb-18Si为共晶,Nb的中值直径在1.5μm左右,Nb的体积分数为37%;Nb-16Si为亚共晶,由初生Nb与Nb+NbSi共晶组成;热处理后,部分NbSi相发生共析转变,但转变速度慢;室温压缩下,上述合金均发生正向断裂,没有明显的塑性变形,且Nb-16Si合金中的初生Nb发生穿晶解理断裂,其抗压强度大于Nb-18Si合金。 Nb-18Si-xTi为过共晶,初生相为NbSi,Ti含量不少于20at.%时,合金凝固过程中产生Nb+γ-NbSi共晶,Nb的中值直径增大明显,而体积分数随着Ti含量的增加而增大;Nb-16Si-xTi为亚共晶,Nb-16Si-30Ti产生Nb+γ-NbSi共晶组织;热处理后,部分NbSi相发生共析转变,但转变速度慢;室温压缩下,合金发生假塑性断裂,没有明显的塑性变形,由于初生NbSi相的存在,合金的抗压强度得到极大的提高。 Nb-18Si-xZr为共晶,在Zr含量不少于3at.%时,合金中产生Nb+β-NbSi共晶;Nb的中值直径较Nb-18Si有所减小,不到1μm,且随着Zr含量的增加而增大;Nb的体积分数随着Zr含量的增加而增大;热处理后后,NbSi相发生共析转变;随着Zr含量的增加,合金共析转变明显。合金硬度在合金化后有所下降。 Nb-18Si-16Ti-xZr为过共晶,且初生NbSi相的体积分数随着Zr含量的增加而减小,而Nb+β-NbSi共晶体积分数增大;电弧熔炼态合金中的NbSi发生部分共析转变,形成较好的Nb+α-NbSi片层组织;而共晶Nb+β-NbSi在热处理后,组织变化不大。 Nb-18Si-16Ti-xHf为过共晶,合金中Nb+γ-NbSi共晶的体积分数随着Hf含量的增加而增大,但当Hf含量为11at.%时,合金中产生NbSi+NbSi共晶。在1523K保温10h后,部分NbSi相都是以晶界的NbSi作为形核衬底发生共析转变,其中Nb-18Si-16Ti-5Hf合金形成片层Nb+NbSi组织,而其他合金则形成粗大的NbSi相。 Nb-16Si-18Ti-xB合金发生L→Nb+α-NbSi共晶转变,不生成Nb+NbSi共晶。Nb的中值直径和体积分数都呈现出先增加后减小的趋势,其中Nb-16Si-18Ti-1B合金中Nb的中值直径和体积分数最大,分别达到3.71μm和55%。当B含量达到3at.%时,合金中出现初生α-NbSi相;而Nb-18Si-16Ti-1B合金中产生了初生NbSi相,尔后发生L→α-NbSi+Nb共晶转变。Nb+α-NbSi共晶在1523K保温10h后仍具有较好的组织高温稳定性。室温压缩下,合金发生假塑性断裂,有一定的塑性变形,Nb-16Si-18Ti-1B合金的强度最大,达到2322MPa。合金在1473K高温下速率为2×10-3/s压缩,材料的热塑性得到较好的改善,尤其以Nb-16Si-18Ti-1B合金最佳;材料的室温屈服强度与高温屈服强度呈互补关系,这与合金中的物相体积分数有关。

关键词： Nb-Si合金合金化凝固过程微观组织力学性能

冷却速率对β凝固γ-TiAl合金硼化物和室温拉伸性能的影响

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金属学报 2020年第2期56卷 203-211页

作者：王希刘仁慈曹如心贾清崔玉友杨锐中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 三峡大学机械与动力学院宜昌443002

设计了不同厚度台阶铸板以实现冷却速率梯度,采用离心熔模铸造制备了不同冷却速率的β凝固含Bγ-TiAl合金样品,研究了冷却速率对硼化物和室温拉伸性能的影响。结果表明,硼化物分布在晶界,其长径比随冷却速率的提高而增大,而形貌由短棒... 详细信息

设计了不同厚度台阶铸板以实现冷却速率梯度,采用离心熔模铸造制备了不同冷却速率的β凝固含Bγ-TiAl合金样品,研究了冷却速率对硼化物和室温拉伸性能的影响。结果表明,硼化物分布在晶界,其长径比随冷却速率的提高而增大,而形貌由短棒状转变为丝带状。慢冷样品中短棒状TiB为B27结构,而快冷样品中丝带状TiB为B_f结构。2种结构TiB均存在生长各向异性,[010]和[100]分别为B_f和B27结构的最慢生长方向,前者更为显著,这可能与上述方向Ti、B原子周期性间隔排列,原子短程重排更为困难有关。随着冷却速率提高,材料屈服强度提高,但室温塑性下降,这与快冷样品中的细长丝带状硼化物容易萌生裂纹并迅速扩展有关;慢冷样品中的短棒状硼化物不易萌生裂纹,相应室温塑性较好。

关键词： γ-TiAl合金 β凝固熔模铸造冷却速率硼化物拉伸性能

700℃热暴露对β凝固γ-TiAl合金表面组织及形貌的影响

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金属学报 2022年第8期58卷 1003-1012页

作者：刘仁慈王鹏曹如心倪明杰刘冬崔玉友杨锐中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

研究了700℃恒温热暴露对β凝固Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金表面形貌与反应层组织的影响。结果表明:含有β0相的β凝固γ-TiAl合金热暴露反应产物、表面形貌和反应界面组织随着时间不断变化,TiO_(2)-R、α-Al_(2)O_(3)、Ti_(2)AlN和Nb_(... 详细信息

研究了700℃恒温热暴露对β凝固Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.5B合金表面形貌与反应层组织的影响。结果表明:含有β0相的β凝固γ-TiAl合金热暴露反应产物、表面形貌和反应界面组织随着时间不断变化,TiO_(2)-R、α-Al_(2)O_(3)、Ti_(2)AlN和Nb_(2)Al等反应产物含量持续增多,初期出现的κ-Al_(2)O_(3)在热暴露200 h后转变为α-Al_(2)O_(3),而亚稳Ti_(4)O_(7)和TiAl_(2)O_(5)在200 h后出现。不同物相氧化行为差异导致反应界面组织明显不同,高Al含量γ相易局部氧化,形成连续Al_(2)O_(3)反应层,低Al含量β0相易内氧化而形成TiO_(2)弥散分布组织,TiO_(2)颗粒持续长大成连续反应层,其与局部氧化交替作用而形成TiO_(2)-Al_(2)O_(3)交替的层状组织。相比弥散反应层,连续反应层可阻碍O元素向基体扩散,降低TiO_(2)生长速率,因此,γ相表面反应物细小致密,α_(2)相反应物先迅速长大后缓慢生长,而β_(0)相表面反应物不断长大。

关键词： β 凝固 γ-TiAl合金热暴露表面显微组织

热处理对TiAl合金挤压方棒组织与拉伸性能的影响

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稀有金属材料与工程 2017年第S1期46卷 95-98页

作者：刘亮亮刘冬刘仁慈崔玉友杨锐中国科学院金属研究所辽宁沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110016

采用包套近等温1300℃(Tα–20℃)热挤压得到Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B(at%)合金方形棒材,研究了方棒各部位形变、后续热处理对组织及其拉伸性能的影响。结果表明:挤压比为3:1时,铸造片层组织未能均匀破碎,变形程度从边缘到芯部逐渐减弱,... 详细信息

采用包套近等温1300℃(Tα–20℃)热挤压得到Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B(at%)合金方形棒材,研究了方棒各部位形变、后续热处理对组织及其拉伸性能的影响。结果表明:挤压比为3:1时,铸造片层组织未能均匀破碎,变形程度从边缘到芯部逐渐减弱,合金组织主要由细小等轴晶粒带、残余片层及粗细不等的γ晶粒构成。900℃热处理后,合金向等轴γ组织转化,但仍保留挤压态形貌,室温平均断后延伸率3.3%,合金室温和高温(800℃)的抗拉强度、延伸率与性能均一性得到最佳匹配;1150~1350℃以上热处理,合金组织向近γ→双态→片层组织转变,室温抗拉强度和断后延伸率均降低。在900℃长时间保温时,残余片层限制了γ晶粒的生长。

关键词： TiAl合金热挤压热处理组织转变拉伸性能