原位合成Ti3Al纳米晶对TiAl基合金超塑性能的影响及其形变机制

TiAl intermetallic compound has a low density, high melting point and higher high-temperature strength.It was considered one of the new generation of high-temperature structural materials and widely applied in aerospace, automotive, chemical and other industrial areas.By use of powder high-energy ball milling and spark plasma sintering process, α2(Ti3Al) nano-crystalline and γ(TiAl) duplex alloys blocks were synthesized in situ for TiH2-Al-Nb alloy system, and influence of nano-crystalline on the superplastic and its deformation mechanisms were investigated. The changes and decomposition rule of TiH2 during ball milling，and effect of TiH2 on the Ti3Al nano-crystalline in situ synthesis were studied. During superplastic deformation process，it was studied and analysised that effect of the lattice misfit structure on the deformation, recovery and recrystallization of α2 nano-crystalline，and dislocation proliferation and starting mechanisms of the dislocation on the interface. By discussing micro-deformation mechanisms and macro-mechanical laws，normalized theoretical system was established.The intrinsic brittleness and difficult to machining of TiAl-base alloy were solved by nano-crystalline Ti3Al secondary phase. This approach not only solved the problems of preparing nanocrystalline blocks,and the plasticity of TiAl-base alloy were improvied. A new method and theoretical basis for the study and application of new TiAl materials were provided.

TiAl基金属间化合物具有低密度、高熔点以及较高的高温比强度，被认为是在宇航、汽车、化工以及其它工业领域中具有广泛应用前景的新一代高温结构材料之一。本项目针对TiH2-Al-Nb合金体系，采用高能球磨及放电等离子烧结方法，原位合成α2（Ti3Al）纳米晶及γ(TiAl)双相合金块体，进而研究纳米晶对合金超塑性及其形变机制的影响。研究TiH2在球磨过程中的变化、分解规律以及对原位合成纳米尺度Ti3Al相的影响,研究超塑性形变过程中,界面处形成的错配结构对形变的影响，纳米晶的回复与再结晶以及α2/γ相界面位错的增殖与启动机制。通过探讨超塑性微观形变机理，并与宏观力学规律相结合，建立归一化的理论体系。利用Ti3Al纳米第二相改善TiAl基的塑性、加工成形性，解决其脆性大、难于加工的问题，这种方法既解决了制备纳米块体的难题，又使合金的塑性得到了改善，为新型TiAl材料的研究和应用提供新的方法。

本项目研究了TiH2-Al-Nb和Ti-Al-Nb合金体系，采用粉末高能球磨及放电等离子（真空烧结）方法，原位合成了α2（Ti3Al）纳米晶及γ(TiAl)双相等轴合金组织。主要探究粉末冶金方法制备的TiAl基超细晶/纳米晶合金在高温变形过程中真应力-应变特点和组织演化的规律，通过高温热模拟压缩试验, 研究超细晶/纳米晶钛铝基合金组织的热加工流变应力与温度、应变速率、应变之间的关系，以及组织对高温压缩流变应力的影响，为该类合金热变形工艺的制定提供理论与试验依据。.与双相γ-TiAl合金微米级晶粒组织相比，热压缩过程中，超细/纳米晶等轴组织明显降低了流变峰值应力，应力峰值在2-2.5%应变量时就达到最大。压缩过程中,纳米晶/细晶等轴组织更有利于晶粒的滑移、位错的缠结及变形，有利于在低应力下的热加工成形。合金在高温热压缩和拉伸变形过程中，变形温度、峰值流变应力与应变速率间满足Arrhenius双曲正弦关系，表明其高温热变形是受热激活控制。建立了Ti-45Al-5(12)Nb合金高温热压缩和拉伸变形本构方程，为该合金后续热加工成型提供了理论依据。在1075℃、应变速率为5×10-5s-1时，拉伸流变应力峰值仅为6.5MPa，实现261%的超塑拉伸变形。.热变形机制主要是位错和协调变形的γ- TiAl相晶内和γ/γ（001）晶间变形孪晶。即使在高温、低应变速率条件下，显微组织中也会出现大量孪晶以协调变形。高温变形中主要的软化机制为晶界迁移和晶粒的动态再结晶，再结晶主要发生在应力高度集中的晶界处，位错及孪晶附近也是动态再结晶的重要形核位置。纳米晶α2相未发生明显的塑性变形，仅随基体γ相的变形而发生扭转，其主要的作用是阻碍位错运动，使其在晶界处缠结、积累而形成位错亚晶，亚晶粒通过亚晶界的迁移逐渐长大，部分亚晶长大成为再结晶晶粒的晶核，促进了基体γ相进行超塑性变形。