应力作用下高铌TiAl合金的中温组织演变行为研究

High Nb containing TiAl (high Nb-TiAl) alloys are considered to be the next generation of high temperature light-weight TiAl alloys of our country because of their higher specific strength and application temperatures than traditional TiAl alloys such as Ti-48Al-2Nb-2Cr alloy. High Nb-TiAl alloys will suffer the coupled effects of high termperature and stress under their sevice conditions. Moreover, the stable temperature ranges of recently reported B19 and ordered ω phases are also within the range of application temperatures of high Nb-TiAl alloys. As a result, the related microstructure evolution under sevice conditions will have a great influence on the service properties of these alloys. By using advanced electron microscopy, the present study is focused on the evolution of lamellar microstructure expected for application under coupled thermal exposure and stress conditions. The evolution mechanism of lamellar microstructure and precipitation mechanism of B19 and ωo phases in the lamellar microstructure will be studied. The aim of the present study is to fully reveal the status and responding mechanism of the microstructure of high Nb-TiAl alloys under service conditions, and the phase transformation dynamics as well as mechanisms of the precipitation of medium-temperature B19 and ωo phases. This study will deepen our understanding of the basic phase transformation theories and provide guidance in the engineering applications of high Nb-TiAl alloys.

高铌TiAl(高Nb-TiAl)合金具有比Ti-48Al-2Nb-2Cr等普通TiAl合金更高的比强度和使用温度，是我国下一代轻质高温TiAl合金的重要发展方向。高Nb-TiAl合金在服役中会受到高温和应力的作用，而近期报道的B19相和有序ω相等新型中温相的存在温度区间正是在合金的服役温度范围内，因此服役条件下的微观组织演变必然对合金的性能产生重大影响。本研究利用先进电子显微分析技术等手段，对高Nb-TiAl合金期望服役的片层组织在模拟合金服役条件的温度和应力作用下的显微组织演变进行研究。主要针对高Nb-TiAl合金片层组织的微观结构演变及B19相、ωo相在片层组织中的析出行为进行观察分析，以全面揭示中温应力作用下合金的显微组织状态及其对外部条件的响应机制，阐明B19相、ωo相等中温相析出的相变动力学及相变机理，从而丰富高Nb-TiAl合金相变规律的科学理论，并为合金的工程应用提供指导。

高Nb-TiAl合金具有低密度、高比强度、良好的高温抗氧化和抗蠕变性能等优点，在航空航天和汽车工业等领域具有广阔的应用前景。在应用条件下，高温度和应力的共同作用将导致高Nb-TiAl合金的显微组织失稳分解，从而影响高Nb-TiAl合金的力学性能。本文研究了残余应力、蠕变过程中的外加应力以及碳元素掺杂对高Nb-TiAl合金显微组织稳定性的影响。主要结果如下：.研究了具有近全片层组织的Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y合金试样在热暴露前后的显微组织演变和残余应力变化，结果表明：室温压缩过程导致合金的片层组织发生弯曲和扭折。在热暴露过程中，组织内残余应力逐渐释放，βo和ωo相在片层团边界和片层团内部的析出。即使试样在850℃热暴露100h，试样的残余应力仍处于较高水平。延长热暴露时间和提高热暴露温度也能够促进ωo相的析出。ωo相的析出与Nb元素的富集有关。.研究了Ti-45Al-8.5Nb-0.2W-0.2B-0.02Y合金的变形及退火试样的α2相变形机制和分解行为，结果表明：经过短时高应力变形，观察到了一种α2孪晶形貌，孪晶面为(20-21)晶面，孪生方向为[-1014]晶向。在变形过程中，还观察到ωo相在α2板条中析出的现象。在850℃退火过程中，ωo相逐渐长大，同时变形的α2板条发生再取向，形成再结晶α2相晶粒，导致原始的α2板条被大量的等轴ωo+α2晶粒所取代，导致α2板条退化。.研究了Ti-46Al-8Nb-0.7C合金在蠕变过程中的显微组织演变和碳化物析出行为，结果表明：该合金具有十分优异的蠕变性能，该合金在850℃-260MPa条件下的蠕变寿命达到850h，在850℃-130MPa条件下的蠕变寿命为3267h，在750℃-130MPa条件下的蠕变寿命超过了7000h。蠕变过程中，大量的P型碳化物在γ相中析出，这些P型碳化物能够有效地抑制位错运动，从而提高了合金的蠕变性能。此外，也观察到具有长周期的H型碳化物在α2板条和γ板条内部析出的现象。蠕变应力的提高和蠕变时间的延长均能够促进P型和H型碳化物的析出。