放电等离子烧结Ti-22Al-25Nb合金的微观组织与力学性能

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Ti2AlNb基合金因其低密度,较高的高温强度、比强度,优良的抗氧化和抗蠕变等突出优点,成为替代镍基高温合金的新型理想的轻质高温结构航空发动机材料。传统铸造制备的Ti2AlNb基合金存在显微组织缺陷,力学性能欠佳,低效率且高成本。此外,Ti、Al、Nb元素的熔点、密度、扩散系数差异大,易发生元素偏析和烧损。放电等离子烧结作为一种近净成形粉末冶金烧结技术,具有升温速度快、烧结时间短以及节能环保等优点,制得的合金具有晶粒细小、组织均匀且无宏观偏析,优异的力学综合性能等特点。本文以气雾化法获得的Ti-22Al-25Nb(at.%)预合金粉末为初始原料,选择950-1200℃温度区间,10-20min保温时间内,35-80MPa压力条件下进行系列的放电等离子烧结试验,制备组织致密、成份均匀的烧结合金,揭示不同烧结参数对烧结合金的相对密度、相组成、显微组织以及力学性能的影响规律,揭示了烧结合金的断裂机制。实验结果表明,烧结温度为950℃,烧结压力为80MPa,保温时间为10min为最佳烧结参数,具有最优的微观组织结构和综合力学性能。其烧结合金相对密度高达99.43%,烧结合金由B2相、O相和α2相组成,B2相晶粒平均尺寸为9.39μm,室温延伸率、屈服强度、抗拉强度和显微硬度分别达到9.38%,933.57MPa,990.01MPa和352.8HV。应用有限元软件MSC.Marc对预合金粉末的致密化过程进行数值模拟,研究了烧结温度、保温时间和烧结压力对粉末致密化过程的影响,系统分析了粉末相对密度随不同烧结参数的变化规律。以950℃/80MPa/10min的烧结合金为固溶处理试验初始材料,试验在940-1100℃固溶温度和10-120min保温时间内进行。结果表明,固溶处理后烧结合金的显微组织和显微硬度均随着固溶温度和保温时间的变化而变化。B2相晶粒尺寸随着固溶温度的升高和保温时间的延长而增加,B2晶粒的均匀度也随着固溶温度的升高和保温时间的延长而增加。建立了烧结合金的B2相晶粒长大动力学模型,获得了不同固溶温度和保温时间条件下的晶粒长大指数和晶粒长大激活能,并验证了Beck方程和Hillert方程的准确性。
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