Ti-Al-Nb三元系包括三类极具应用潜力的合金,分别为γ-TiAl基合金、O-Ti2AlNb基合金和σ+γ双相合金。其中,,γ-TiAl基合金主要由α2相和γ相组成,其目标服役温度区间为650-900 ℃;O-Ti2AlNb基合金主要由O相、α2相和β相组成,其目标服役温度区间为500-800℃;σ+γ双相合金主要由σ相、γ相和β相组成,其目标服役温度为1000℃以上。由于γ-TiAl基合金和O-Ti2AlNb基合金在高温强度、高温抗氧化性和高温抗蠕变性能等方面的优异表现,近些年这一体系的合金已经成为各国研究的热点。为了降低成本和追求更高的使用温度,研究人员需要不断优化合金成分以及加工工艺。相平衡数据的匮乏,已经严重制约了 Ti-Al-Nb三元系合金的进一步优化和应用。目前,Ti-Al-Nb三元系相平衡的研究较多集中于1100℃和1200℃,而对于其它温度的研究极为匮乏,一些研究结论之间存在较大争议,比如合金凝固路径不明确,虽然1400 ℃等温截面图有过报道,但与近年来实验结果相矛盾;1300 ℃等温截面图还未有学者做过报道;1000 ℃以下等温截面图由于测定难度较大,也未曾有过系统的研究。另外,近些年来发现高Nb-TiAl合金在其目标服役温度区间会析出ωo相。对于ωo相析出过程以及相平衡关系还缺乏认识。作为O-Ti2AlNb基合金主要组成相,O相的析出过程和相平衡关系存在巨大争议。同时,对于TiAl二元系中富Ti侧的相平衡关系也存在不同的观点。本论文对此体系相平衡以及相变反应展开了系统的研究,阐明了此体系的相稳定性和相平衡关系,从而指导Ti-Al-Nb三元系合金的成分设计、热处理以及热变形工艺制定,为提高服役条件下组织稳定性提供思路。主要结论与创新点如下:(1)运用合金保温淬火的方法完成了 Ti-Al-Nb三元系1300 ℃和1400 ℃等温截面图的绘制。确定了 0-70 Al(如无特殊说明,本文所有成分均为原子比:at.%)范围内各个相的成分范围以及对应的四个三相区和九个双相区。结果表明,随着温度的升高,α+β+γ、σ+β+γ、σ+δ+β和σ+ε+γ三相区均向高Al低Ti的方向移动,同时,α和β单相区呈扩大趋势。(2)通过观察不同成分合金的铸态组织,确定了 Ti-(40-60)Al-(0-23)Nb成分范围内合金的凝固路径。通过研究发现此成分范围内合金的凝固路径与Nb含量关系不大,合金凝固路径的变化主要由A1含量的变化引起。A1含量小于51时,凝固的初晶相为β相,A1含量在51-56范围内的时候,凝固的初晶相为α相,A1含量大于56时,凝固的初晶相为γ相。α初晶相的范围应扩展至Ti-55.5Al-22.5Nb附近,这一结论远大于以前计算结果。(3)针对Ti-Al-Nb三元系熔点高、相平衡和相变复杂且Ti与Nb为连续固溶体的特点,合理的设计扩散偶的扩散元,在传统三元扩散偶基础上,结合多元扩散节的制作方法增加两个扩散元,设计了五扩散元元扩散偶。实验结果证明这一设计非常适合Ti-Al-Nb三元系中温等温截面图的测定与绘制,有效地解决了合金熔点一半温度处相图难以测定的难题。(4)成功绘制出了 Ti-Al-Nb三元系900℃、980℃和1010℃等温截面图。其中,900 ℃等温截面图包括10个单相区,19个两相区和10个三相区。980℃等温截面图包括9个单相区,19个两相区和10个三相区(其中,980 ℃时未绘制ε+η+γ三相区)。1010℃等温截面图包括8个单相区,13个两相区和6个三相区(其中,1010℃时未绘制ε+η+γ三相区)。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。通过实验发现900℃ ωo相与α2相、γ相、O相、σ相存在相平衡关系,会形成ωo+αa2+O、σ+O+ωo、ωo+γ+σ和ωo+γ+α2 四个三相区。另外,900 ℃ 还存在另一个三元相O相,并形成 α2+O+β、δ+O+β、δ+O+σ、ωo+O+σ 和ωo+O+α2五个三相区。而在980 ℃等温截面图中,ωo相已经消失,O相依然存在,只是相邻接关系发生了变化,形成了 α2+O+β、α2+O+β。以及两个O+σ+β。三相区的相平衡关系。1010 ℃等温截面图中O相也已经消失。同时,本实验发现1010 ℃等温截面图中β。相区与β相区成分连续变化,连成一整片区域,而在980 ℃等温截面图中β。相区分为两部分,一部分呈小岛状位于相图中部,另一部分与β相区直接相连。(5)通过分析900 ℃、980℃和1010 ℃等温截面图,确定了 Ti-Al-Nb三元系在此温度范围内的相变反应。确定了此温度范围内六个四相不变反应(β+βo→α2+0、β+σ→δ+O、βo+γ→σ+ωo、βo+γ→ωo+α2、βo+σ→O+ωo 和βo→ωo+α2+O)和两个三相反应(βo+σ→O、βo+γ→ωo)。通过这些反应阐明了ωo相和O相的生成过程以及β。相的消失过程。(6)通过中子衍射实验,原位研究了 Ti-Al二元系中β。相、β相、α相和α2相的相平衡以及相稳定性情况。结果表明,Ti-Al二元系中β。相不是一个稳定相,β相、α相和α2相会发生两个包析反应。