网状Ti5Si3/TiAl基复合材料热变形与蠕变行为研究

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TiAl合金凭借其低密度、高比强度，可以显著提高发动机推重比，被期望为航空航天未来跨越式发展的理想化材料。由于服役条件多为高温受力，因此蠕变性能为该材料实现广泛安全使用的关键性能，而 Ti5Si3颗粒的加入有利于进一步提高高温强度、抗氧化性能和蠕变抗力。
　　本文采用压力浸渗结合热压反应烧结工艺制备了增强体含量分别为1.2%、3.5%、6.9%的 Ti5Si3/TiAl基复合材料以及不含增强体的 TiAl材料，期望具备良好的蠕变性能，并针对TiAl材料热加工性能差的缺点，研究了复合材料热变形行为特点。采用OM、SEM、TEM、XRD进行微观组织结构观察表征，并测定密度、硬度和拉伸性能，通过热模拟试验和蠕变试验对复合材料进行了热变形和蠕变性能研究。
　　所制备的6.9vol.%Ti5Si3/TiAl基复合材料和3.5vol.%Ti5Si3/TiAl基复合材料增强体主要呈准连续双层网状分布，而1.2vol.%Ti5Si3/TiAl基复合材料增强体在基体中沿部分晶界析出分布，不含增强体的TiAl材料组织中由等轴γ相和片层组织组成。随增强体含量的增加，室温显微硬度增加。高温拉伸测试表明，复合材料的韧脆转变温度在800~830℃之间，800℃时，3.5vol.%Ti5Si3/TiAl复合材料具有最佳的高温屈服强度达到399.2MPa，850℃时，延伸率达到25.5%。
　　热模拟试验表明，复合材料流变应力随应变速率的增加和温度的降低而增大。两种网状复合材料相比，6.9%Ti5Si3/TiAl基复合材料高温压缩强度更高，3.5%Ti5Si3/TiAl基复合材料具备在更低温度下进行热加工的潜力。对3.5%Ti5Si3/TiAl基复合材料在1000~1200℃，0.001~1s-1条件下进行热变形试验，得到热变形激活能为Q=564.67kJ/mol，并求得了热变形本构方程。建立了应变为0.2、0.3、0.4、0.5的热加工图，在1125℃以上且应变速率为0.01s-1以下区域，为适合3.5%Ti5Si3/TiAl基复合材料热加工的条件。随着温度的升高和应变速率的降低，有利于动态再结晶的进行和晶粒长大，而增强体颗粒的存在有利于加快动态再结晶的速度，但会限制晶粒长大。
　　相同的试验条件下3.5vol%Ti5Si3/TiAl基复合材料体现最好的蠕变性能。增强体 Ti5Si3过多会促进片层组织的分解从而对材料的蠕变性能产生不利的影响。对于3.5vol%Ti5Si3/TiAl基复合材料，温度和加载应力的提高使稳态蠕变速率增大，在低温时应力对蠕变变形起主导作用，高温下温度起到主导作用。在700~775℃、150~225MPa试验条件下蠕变本构方程可以用ε.=0.545(σ)2.60exp(-259122/RT)来描述。TEM观察表明，3.5vol.%Ti5Si3/TiAl基复合材料在750℃、225MPa下微观变形结构为高密度位错在γ晶粒内的滑移，此时蠕变应力指数n值为2.91；在750℃、250MPa下微观变形结构为｛111｝类型变形孪晶，主要变形机制为孪生调整取向，此时蠕变应力指数为11.17。

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作者
宋洋;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科材料学
授予学位硕士
导师姓名李爱滨;
年度 2017
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类金属－非金属复合材料;
关键词
TiAl合金; 三硅化五钛; 复合材料; 热变形; 蠕变行为; 微观组织;

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