基于纳米压痕的TiAl合金形变机制和力学性能的研究

TiAl alloy exhibits low plasticity at room temperature. It is this shortage that seriously limits the application of TiAl in aerospace and in other fields. A helpful method to solve this problem is that investigate the deformation mechanism and mechanical properties of TiAl alloy under non-uniform loading. Nanoindentation simulations are aimed at investigating single TiAl alloy with different orientation, Nb concentration and defects as well as polycrystal TiAl alloy with different grain size in this project. Deformation behavior and stress distribution beneath contact surface of indenter and substrate are intended to be analyzed. The dislocation behavior, grain boundary migration, organization variation, phase transition, Nb segregation, defects evolution, the initiation mechanism and coupling of new defects, coupling of deformation and phase transition are mean to be investigated. In addition, a method for the transfer of mechanical behavior in macro and micro would be proposed. The hardness and elastic modulus of TiAl alloy plan to be calculated and its variation tendency would be analyzed. These results which have effects on microstructure deformation mechanism would indicate the key factors and the relationship between deformation and mechanical properties. The microstructure characteristics of TiAl alloy would be observed, classified and quantified by nanoindentation experiments. Then the model is going to be verified by comparing simulation with experimental results. This work would provide solid theoretical foundation to optimize the microstructure and improve the mechanical properties of TiAl alloy.

TiAl合金室温塑性差的缺点严重制约了其在航空航天领域的应用，对非均匀载荷作用下TiAl合金形变机制和力学性能的研究有助于解决这一难题，本项目拟采用分子动力学和多尺度方法模拟不同晶向、Nb元素浓度和缺陷的单晶TiAl合金以及不同晶粒尺寸的多晶TiAl合金的纳米压痕过程，分析压头与基体接触表面下方的应力分布和变形行为，研究位错行为、晶界迁移、组织变化、相变、Nb的偏析、缺陷的演化、新缺陷的萌生机理和耦合作用以及变形过程中形变与相变的耦合作用，提出宏观和微观之间力学行为传递的方法，计算不同条件下TiAl合金的硬度和弹性模量等力学性能参数，分析其变化规律，揭示纳米压痕作用下影响TiAl合金微观结构形变机制的关键因素以及形变与力学性能之间的关系。通过实验对TiAl合金的微观特征进行观察、分类和定量统计，验证模拟结果，修正理论模型。研究成果将为优化微观组织和改善TiAl合金的力学性能提供理论基础。

TiAl合金具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性以及低密度、高弹性模量、高温抗蠕变性等优异性能使其在航空航天领域展现出令人瞩目的发展前景。然而，TiAl合金室温塑性差的问题仍然制约着其在工程实际中的进一步应用。本项目采用分子动力学模拟和理论相结合的方法，对纳米压痕作用下TiAl合金的形变机制和力学性能进行了研究。具体如下：1）研究了各向异性对TiAl合金纳米压痕机理的影响，分析了不同晶向下TiAl合金的形变机制和力学性能，阐明了位错的演化规律以及临界载荷、弹性模量、硬度、应变能的变化过程。2）建立了由γ-TiAl 和 α2-Ti3Al组成的双相片层结构的TiAl的纳米压痕模型，模拟计算了在不同片层厚度下以及压头分别压入γ和α2相的纳米压痕过程。揭示了硬度和弹性模量随片层厚度的变化规律，阐释了缺陷的演化过程。3）研究了不同加载条件下进行纳米压痕时TiAl合金的力学行为，发现随着温度的升高，试件的临界载荷、硬度、弹性模量以及势能值均减小，在试件的（110）晶面和（100）晶面进行纳米压痕加载时，材料的硬度和弹性模量随加载速率的变化情况不同，并分析了不同温度和加载速度下缺陷的演化行为。4）研究了单缺陷以及多缺陷的耦合作用下TiAl合金的纳米压痕机理。阐明了孔洞和孪晶界分别对缺陷演化规律及载荷-位移曲线、弹性模量和硬度的影响，厘清了孔洞和孪晶界的位置关系及不同孔洞大小下孔洞与孪晶界的耦合作用对位错、层错等缺陷的演化过程的影响，并揭示了孔洞与孪晶界的耦合作用对硬度和弹性模量的影响规律。 5）对比了单晶、多晶以及纳米孪晶TiAl合金的纳米压痕形变过程，单晶、多晶和纳米孪晶γ-TiAl合金的硬度、弹性恢复比、温度和势能变化都依赖于晶体结构。单晶基体塑性变形主要以肖克莱位错的扩展和反应为主，并伴随位错环的产生；多晶基体依赖位错与晶界相互作用，纳米孪晶基体依赖位错-孪晶、位错-晶界相互作用。单晶基体硬度最大，纳米孪晶基体次之，多晶基体最小。本项目的研究成果将为改善TiAl合金室温塑性提供新的技术路线。