TiAl合金作为新一代可代替Ni基合金的高温结构材料,具有较低的密度、良好的高温强度、抗蠕变、抗氧化能力等优点,因此成为应用于航空航天、汽车等领域的重要材料。通过对组织的调控与优化来改善合金的性能是TiAl合金领域研究的一大重点。尤其在高温服役条件下,由蠕变引起的材料的变形和损伤对合金的应用和寿命有很大影响,因此研究合金组织对蠕变性能的影响其有重要的意义。细小的全片层组织具有最好的综合力学性能,而全片层组织相对于其它典型的组织同时具有最好的蠕变性能。但对于TiAl合金,特别是变形TiAl合金,如何获得细小的全片层组织面临着很大的挑战。本文对TiAl合金组织优化以及组织对合金蠕变性能的影响进行了系统研究。通过对TiAl合金添加β稳定元素,利用快速冷却热处理法和热变形的方式对铸态组织进行优化,最终获得不同片层团尺寸的细小片层组织,并对不同的片层组织进行高温蠕变实验,分析片层结构以及残余β/B2相对蠕变性能的影响。主要结论和创新点如下:(1)β稳定元素的添加有利于扩大TiAl合金β相区,通过在β相区快速冷却得到马氏体随后进行回火的热处理工艺可以获得片层团尺寸在25-70μm范围内细小均匀的全片层组织。其中马氏体为六方结构的α2,并且与母相β相遵循Burgers 取向关系。随着淬火冷却速度的降低,淬火组织内部缺陷密度越来越小。马氏体板条具有最大的缺陷密度,亚结构主要为位错和堆垛层错。(2)通过快速冷却法获得的TiAl合金片层团尺寸大小主要与淬火组织,即其亚结构、晶粒尺寸以及淬火后残余β/B2相有关。缺陷密度越大,越有利于回火过程中再结晶的发生,另外淬火后板条尺寸越小和变体的择优取向越不明显,越不利于晶粒尺寸的长大。最后,少量残留的β/B2相也有利阻碍片层团的长大。(3)TiAl合金中添加β稳定元素可通过影响淬火马氏体组织的形成和分布,从而对后续回火后片层组织进行优化。V元素的添加随着含量增多,转变方式会由块状转变变为马氏体转变。Cr元素的添加随着含量增多,马氏体板条宽度减小,残余β/B2相增多,这有利于后续回火片层组织尺寸的细化,但是强β稳定元素含量太多不利于全片层组织的形成。(4)TiAl合金通过添加β稳定元素,使合金在热变形优化组织过程中,利用少量高温β相的存在起到协调变形的作用,从而实现板材在不同温度下热轧制成形,最终获得片层团尺寸在65-170μm 内的近片层组织和全片层组织。其片层组织的细化主要与高温α相在轧制过程中的动态再结晶有关。此外,部分β/B2和γ晶粒的再结晶过程以及β/B2相的分解,均有利于组织的优化。(5)通过高温轧制优化组织后,TiAl合金的室温拉伸性能得到了改善,其室温抗拉强度从483MPa可提高到858MPa,室温伸长率可提高到0.86%。其中,在α温度区轧制得到的全片层组织具有最优的高温拉伸性能,高温抗拉强度为744MPa、屈服强度为573MPa、伸长率为6.0%。(6)TiAl合金通过高温轧制得到的全片层组织具有最好的蠕变性能,这主要与其片层结构的稳定性有关。在较高应力下蠕变变形时,晶界处存在细小B2(ω0)晶粒和细小的片层间距有利于降低合金的初始蠕变应变量。但是在低应力长时蠕变时,片层间距越小,容易引起组织退化从而破坏片层结构的稳定性,加速蠕变速率,减小蠕变寿命。因此对于片层较粗的全片层组织,其初始蠕变应变量较大,但是蠕变速率较小,蠕变寿命最长。(7)TiAl合金不同片层组织在蠕变过程中,都会发生不同程度的片层团退化,形成大量的γ晶粒并析出一定量的B2(ω0)。片层间距越细退化越严重。γ晶粒的存在会降低合金的蠕变抗力,而晶界处存在的γ和B2(ω0)晶粒会在断裂前增多孔洞形成的位置,最终产生裂纹引起断裂。