TiAl基合金的室温塑性与晶界结构的相关性及其调控

TiAl based alloy has good high-temperature resistance, good oxidation resistance and low density, which is the desired high-temperature structural material used in next generation aero-engine. But low room-temperature ductility is the biggest obstacle for its application. In this proposal, we plan to refine grains and control the grain boundray character distributions(GBCD) by using multiple isothermal forging combining with annealing treatment. Emphasis will be focused on studying the relationship between room-temperature ductility of TiAl based alloy and GBCD. Based on the above investigation, controlling and tuning GBCD through multiple isothermal forging combining with annealing treatment is another key mission of this proposal. At last, the room-temperature ductility and deformation bahavior will be studied to assess the effect of GBCD compared with the as received materials. The aim of this proposal is to elucidate the relationship between room-temperature brittleness and GBCD, and?to completely solve the problem of low room-temperature ductility. The research results will establish theoretic and technical foundation for controlling GBCD of TiAl based alloy and future improving its room-temperature ductility, and will greatly promote application of TiAl based alloys in aviation field.

耐高温、抗氧化的轻质TiAl基合金是下一代理想的航空发动机用高温结构材料，但低的室温塑性成为其应用的最大障碍，细化晶粒和控制TiAl基合金的晶界结构是从根本上解决该问题的有效途径。本项目以TiAl基合金为研究对象，以多向（次）等温锻造联合退火处理为手段对TiAl基合金的晶粒尺度和晶界结构进行调控，实现对其室温塑性的改善。主要研究内容包括：TiAl基合金的室温塑性与晶界结构的相关性研究；晶粒尺度与晶界结构的关系研究；晶界结构的调控及其对TiAl基合金室温塑性变形行为的影响和增塑机理研究。本项目研究旨在揭示TiAl基合金的室温塑性与晶界结构和晶粒尺度的关系，探究晶界的形成和演化规律，为有效地调控TiAl基合金的晶界结构、进一步改善其室温塑性奠定理论和技术基础。本项目研究对促进TiAl基合金在航空领域的应用，具有重要意义。

本项目以TiAl基合金为研究对象，以多向（次）等温锻造联合退火处理为手段对TiAl基合金的晶粒尺度和晶界结构进行调控，实现对其室温塑性的改善。主要研究内容包括：小变形结合高温短时退火处理对TiAl基合金晶粒尺度和晶界特征分布的影响规律研究；退火温度和冷却速度与TiAl基合金晶界特征分布的关系研究；TiAl基合金的室温塑性与晶界特征分布的相关性研究。研究结果表明，小形变样品比大中变形样品在后续退火过程中更容易诱发特殊晶界的形成。通过小变形结合高温短时退火处理后，晶粒尺寸小幅增加，形成了大量性能优异的Σ3-Σ3-Σ9、Σ3-Σ9-Σ27三叉晶界，特殊晶界比例提高了5%。随着退火温度的增加，特殊晶界比例呈先降低后增加的趋势，弯曲的非共格Σ3晶界逐渐转变为平直的共格Σ3晶界。与母材相比，经最优退火温度（1300ºC）处理后材料内部退火孪晶比例增加，特殊晶界比例提高了5%左右。冷却速度的降低会导致TiAl基合金中Σ3晶界比例增加，Σ3晶界的形态由弥散分布转变为平行有序分布。过低的冷却速度尽管有利于Σ3晶界比例的提高，但平行有序分布的Σ3晶界多位于晶粒内部，对隔断随机晶界网络的连通性作用不大。小变形退火处理试样的抗压强度和极限压缩率相比于母材均有明显提高，经小变形退火处理后TiAl基合金的晶粒尺寸和特殊晶界比率都有所增加。虽然晶粒尺寸的增加会导致材料强度和塑性的降低，但经小变形热处理后强度和塑性均有所提高，说明特殊晶界比率的增加和晶界结构的优化对力学性能的改善效果可以消除晶粒尺寸增大的不利影响。本项目的研究成果对促进TiAl基合金在航空领域的应用，提高发动机的推重比和燃烧效率具有重要的意义，应用前景广阔。