高Nb-TiAl合金有序ω相的调控及对高温力学行为的影响规律研究

High Nb-TiAl alloys are considered to be the next generation of light-weight TiAl alloys due to their high strength and service temperatures together with their superior oxidation resistance and creep properties. In recent years, the high temperature high performance TiAl alloys including high Nb-TiAl, TNB, TNM, β-γ TiAl alloys have high Nb additions. Because of the high amount of Nb addition, some brittle B2 and ω phases can be retained to the room temperature, which can worsen the mechanical properties. Our previous investigation showed that the ordered ω phases are stable at 700℃~900℃，which is the service temperature. As a result, how to control the ω phase is considered a key issue for stabilizing the microstructure and mechanical properties at the service temperatures of high Nb-TiAl alloys, which is related to the future application. This project propose an efficient method to control the ordered ω phases to be fine, dispersible and stable at the high temperature, based on adding the micro-alloying elements and special thermo-mechanical heat treatments, in order to strengthen/tough the alloys at high temperature, especially increase the creep performance without decrease of ambient mechanical properties. The ω phases considered conventionally as deleterious can be changed as strengthening phases. This will provide the academic base for further enhancing the service temperature and technical guarantee for the industrial application of high Nb-TiAl alloy.

高Nb-TiAl合金具有比普通TiAl合金有更高的强度指标和使用温度，同时具有优良的抗氧化及蠕变性能，成为新一代轻质高温TiAl合金发展的方向。世界上发展的高温高性能TiAl合金，如高Nb-TiAl、TNB、TNM、β-γ TiAl合金，都大量添加了Nb元素，使一定数量的脆性B2相和有序ω相保留至室温，有可能恶化力学性能。前期研究表明，高Nb-TiAl合金有序ω相在700℃~900℃稳定存在，而该温度区间与服役温度重合。因此如何控制有序ω相成为高Nb-TiAl合金在该温度区间能否保持显微组织和力学性能稳定的关键，关系到该合金的实际应用。本项目提出通过采用合金化和形变热处理控制有序ω相细小弥散分布，并且在高温下稳定存在，在不显著影响室温力学性能的基础上，提高高温力学性能，特别是蠕变性能。把传统上认为的有害相转变为高温强化相，这将为提高高Nb-TiAl合金的使用温度和实际应用提供基础和保障。

高Nb-TiAl合金由于其优异的高温强度，高温抗氧化性和蠕变性能，已经成为一种先进的轻质高温结构材料。世界上发展的高温高性能TiAl合金，如高Nb-TiAl、TNB、TNM、β-γ TiAl合金，都大量添加了Nb元素，使一定数量的脆性B2相和有序ω相保留至室温，有可能恶化力学性能。虽然B2相降低了高Nb-TiAl合金的室温性能，无序的高温β相可以有效改善合金的热加工性能。同时有序ω相的存在温度区间与高Nb-TiAl合金可能的服役温度区间重合，因此有序ω相的演变规律正逐步成为研究热点。本基金主要研究了高Nb-TiAl合金有序ω相的相变规律、与形变的交互作用及对力学性能的影响，主要结论和创新点如下：.1、成功绘制出了Ti-Al-Nb三元系900 °C、980 °C等温截面图。首次在相图中确定了ωo相的位置，证明ωo相是一个稳定相并且确定了ωo相的相平衡关系。发现900 °C ωo相与α2相、γ相、O相、σ相存在相平衡关系，会形成ωo+α2+O、σ+O+ωo、ωo+γ+σ和ωo+γ+α2四个三相区。而在980 °C等温截面图中，ωo相已经消失，O相依然存在。.2、添加少量合金元素即可有效控制有序ω相的数量和形貌：Mn可以强烈抑制有序ω相的生成；W、Cr的抑制作用稍弱；Ni则强烈促进有序ω相的生成。合金元素通过改变有序ω相的析出温度来控制其形核长大。揭示了ωo相名义成分附近的相变规律。结果表明，ωo相名义成分Ti-37.5Al-12.5Nb合金中，ωo相可在马氏体α2片的界面上形核析出，α2片的惯习面为β相的{334}晶面且其内部存在大量层错。ωo相形成后，相邻βo相中因为贫Nb而不再析出ωo相。.3、含ωo相的合金室温拉伸屈服强度略有增加而室温塑性则随着保温时间的延长而降低。揭示了蠕变过程中ωo相对蠕变性能的影响规律。γ三叉晶界上的βo(ωo)相可阻碍再结晶γ晶粒的长大；且当蠕变裂纹扩展遇到较硬的ωo相时，裂纹扩展方向会发生偏转，从而消耗更多的能量，这都有利于高Nb-TiAl合金蠕变性能的提高。.4、中温热压缩可以促进ωo在片层团内的析出，ωo倾向于在α2/γ板条的边界、α2孪晶相界形核。ωo相在疲劳循环变形中ωo相在循环变形中始终承受拉应变/应力。