Ti/Al复合粉末锻造成形与反应烧结工艺研究

摘要

TiAl基合金因具有比刚度高、比强度高、耐氧化和抗蠕变性能好等优点，在航空航天领域有着广阔的应用前景。但TiAl基合金因其固有的结构特点，室温塑性差，且高温变形抗力大，使其极难进行塑性加工，限制了该材料的工程应用，制约了其实用化。为了克服TiAl基合金塑性加工困难，获得高致密度、低成本和形状复杂的高性能TiAl材料零件，本文提出Ti/Al复合粉末锻造与反应烧结相合的新工艺。该工艺的特点是利用Al、Ti混合物材料的塑性较好，易于塑性加工的特点，将所得的Ti/Al复合粉末坯料进行锻造，再经反应烧结从而获得高密度烧结构件，有效地避免了TiAl基化合物加工困难这一难题。针对该工艺，本文着重进行了以下几方面研究。
　　研究了Ti/Al复合粉末坯料的制备工艺。通过对不同工艺烧结后Ti/Al复合粉末坯料进行组织观察，揭示 Ti/Al粉体坯料在不同烧结温度和烧结时间下组织演变规律。对各个条件下的坯料进行热压缩实验，研究了具有不同组织坯料的成形性能，结果表明，Ti/Al复合粉末坯料的变形是由颗粒的弹塑性变形和颗粒间的滑移转动综合作用的，且经温度450℃，保温2小时烧结后得到的坯料成形性能最佳。
　　通过 Ti/Al复合粉末坯料在温度300~600℃，应变速率0.1~0.001s-1范围内的热压缩模拟试验，研究了变形温度、应变速率、相对密度对流变应力的影响规律；综合考虑压缩试样裂纹出现及其内部颗粒偏聚情况，Ti/Al复合粉末材料锻造时，应选在温度为400℃以上，应变速率小于0.01s-1条件下进行锻造成形，且变形量不宜过大。基于热压缩试验结果，建立了Ti/Al粉末体材料的本构方程，并制作了其热加工图，初步确立了其最佳锻造工艺参数，为后续的粉末锻造提供了参考依据。
　　研究了Ti/Al复合粉末体坯在不同变形条件下的变形致密情况，结果表明， Ti/Al复合粉末材料在变形过程中易致密，其泊松比受相对密度、应变速率和变形温度的影响；研究了初始相对密度分布、摩擦、孔隙形状、变形程度、变形温度和应变速率对变形致密的影响规律，表明增大摩擦、变形温度、变形程度和减小应变速率能提高Ti/Al复合粉末体坯的致密化效果；根据Ti/Al复合粉末单向压缩断裂情况及其断裂极限图，确定了其最佳变形工艺为500℃，0.001s-1；基于粉末材料的塑性理论，建立了与温度和应变速率有关的Ti/Al复合粉末材料屈服准则，为粉末锻造数值模拟提供了材料参数。
　　通过有限元方法对Ti/Al复合粉末预成型坯的压制过程进行了模拟，得到了预成型坯内部相对密度分布情况，以及压制力与平均相对密度的关系。根据模拟结果，对Ti/Al复合粉末预成型坯进行压制实验获得了后续锻造所需的密度和尺寸合格的预成型坯。采用 ABAQUS软件，对Ti/Al粉末体锥形零件锻造过程进行模拟，分析了相对密度、等效应力场、等效应变场的分布情况，并研究了摩擦系数、温度、应变速率对锻造过程的影响，结果表明，Ti/Al粉末体锥形零件锻造的最佳变形条件为500℃，0.001s-1，摩擦系数0.1。在该工艺条件下进行粉末锻造实验，制得了质量合格的锥形粉末锻件。
　　通过Ti、Al箔在不同条件下的反应烧结实验，系统的研究了Ti/Al在低温和高温烧结条件下的反应机理，结果表明：520℃~630℃范围内，Al未完全消耗时，Ti/Al反应生成唯一的产物TiAl3；在630℃~900℃时，Ti/TiAl3扩散反应中间产物为TiAl2，在1050℃~1150℃时，Ti/ TiAl3扩散反应中间产物为TiAl2和Ti2Al5。根据反应产物厚度与时间、温度的关系，建立了TiAl3、TiAl金属间化合物和总反应层的动力学方程，推算出相应的反应激活能和动力学指数，为反应烧结制备TiAl金属间化合物提供理论基础。
　　研究了Ti/Al复合粉末在高能球磨过程中的颗粒形貌和组织结构的变化规律。通过机械球磨和粉末锻造方法制备一定层片距离和致密度的粉末锻坯，对其进行反应烧结实验，验证动力学方程并分析了反应烧结组织演变规律；通过高温压缩试验，研究了烧结态TiAl基合金的力学性能，揭示了球磨时间、烧结工艺参数对其屈服强度的影响；球磨5h的Ti/Al复合粉经粉末锻造成形致密后，经630℃×0.8h预烧、1250℃×5h高温烧结获得的TiAl基合金在800℃时屈服强度高达560MPa。
　　本论文通过上述一系列研究，证明了Ti/Al复合粉末锻造与反应烧结工艺制备TiAl基合金零件的可行性，为Ti/Al复合粉末锻造与反应烧结工艺制备TiAl基合金零件打下了坚实的理论和试验基础。同时也为其他二元复合粉末锻造成形技术和反应烧结技术提供了技术理论支持。

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目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 TiAl基合金的研究和应用现状

1.3 粉末锻造成形技术研究现状

1.4 Ti-Al扩散反应研究现状

1.5 课题提出及研究内容

第2章 Ti/Al复合粉末坯料的制备工艺研究

2.1 引言

2.2 实验材料及方法

2.3 Ti/Al复合粉的冷压制特性

2.4 Ti/Al复合粉末坯料预烧结工艺研究

2.5 Ti/Al复合粉末坯料的成形性能研究

2.6 本章小结

第3章Ti/Al复合粉末体本构模型的建立

3.1 引言

3.2 实验材料及方法

3.3 变形条件对流变应力的影响

3.4 Ti/Al复合粉末体高温变形组织演变分析

3.5 Ti/Al复合粉末体本构方程的建立

3.6 Ti/Al复合粉末体的热加工图分析

3.7 本章小结

第4章 Ti/Al复合粉末材料的变形致密化研究

4.1 引言

4.2 Ti/Al复合粉末材料的变形特性

4.3影响Ti/Al复合粉末材料致密的因素

4.4 Ti/Al复合粉末材料的断裂极限

4.5 Ti/Al复合粉末材料的屈服准则

4.6本章小结

第5章 Ti/Al复合粉末的锻造成形研究

5.1引言

5.2 Ti/Al复合粉末预成型坯的压制成形研究

5.3 Ti/Al复合粉末锻造成形的有限元模拟及模锻成形

5.4本章小结

第6章 Ti/Al扩散反应机理及动力学研究

6.1 引言

6.2 试验材料与方案

6.3 Ti/Al扩散反应机理研究

6.4 Ti/Al扩散反应动力学研究

6.5 本章小结

第7章Ti/Al复合粉末的反应烧结组织及其力学性能

7.1引言

7.2 不同层片厚度的Ti/Al复合粉末的制备

7.3 Ti/Al复合粉末坯料的压制

7.4 Ti/Al复合粉末低温烧结工艺及组织特征

7.5 Ti/TiAl3高温烧结反应

7.6粉末烧结TiAl基合金的显微组织

7.7压缩力学性能

7.8本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

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