W对高铌TiAl基合金组织及性能的影响

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高铌TiAl基合金具有高熔点、低密度、高强度、良好的抗蠕变性等优异的性能,被认为是一种先进的高温部件材料,具有良好的应用前景。但高铌TiAl基合金在超过800℃时的高温强度较低,以及高温抗氧化性较差的缺点又限制了其应用。因此,提高高铌TiAl基合金的高温性能十分重要。而合金化是解决这一问题的最经济最有效的手段。不同种类的合金元素在TiAl基合金中具有不同的作用,例如,适量的Cr可以提高TiAl基合金的抗氧化性能,Mn、V可以提高TiAl基合金的室温塑性,Nb、W、Mo这类高熔点元素与其他元素共同作用可以提高传统TiAl基合金的高温力学学性能与高温抗蠕变性能,因此被广泛使用于传统高温合金中。然而,关于Nb、W、Mo这类高熔点合金元素对高铌TiAl基合金高温抗氧化性能方面的研究相对较少。这其中,W是最经济、有效的合金元素,因此本文拟针对W合金化对高铌TiAl基合金的组织及高温性能的影响开展研究。论文以Ti-45Al-8Nb为研究对象,采用真空感应磁悬浮炉分别制备了不含W和含1%W的合金铸锭。利用OM、SEM和TEM观察分析了两种成分合金的显微组织,通过XRD确定了合金的相组成。对铸态合金的心部组织进行热处理后,测定了其高温力学性能,并通过循环氧化实验获得了两种合金的高温抗氧化性能。结合合金氧化层及横截面的形貌观察和氧化层的成分分析,探讨了高铌TiAl基合金的高温氧化机理,分析了 W元素对合金抗氧化性能的影响规律。论文得出如下主要结论;(1)铸态高铌TiAl基合金室温下为全片层组织;片层由γ相与α2相交替排列形成,片层晶团呈等轴状,晶粒尺寸为50~200μm不等;W的添加使合金在室温下形成微观偏析,有β型偏析和α型偏析。其中β型偏析分布于片层晶团的晶界处,α型偏析分布于片层晶团内,且沿铸锭中心至边缘方向偏析数量逐渐增多。铸锭心部为干净的全片层组织,W元素完全固溶于Ti45A18Nb合金中。(2)高铌TiAl合金经900℃48h热处理后,合金中片层组织更加清晰,晶界更明显,合金中的微观偏析依然存在。添加W元素后,合金的强度提高,这是固溶强化的结果。热处理后的高温拉伸实验结果表明,随着拉伸温度的升高,合金的强度降低,塑性上升。(3)900℃×200h的循环氧化实验结果表明,W元素的添加可以提高高铌TiAl基合金的抗氧化性,具体体现在W可以细化合金表面的氧化物晶粒,使氧化层排列得更加致密,阻挡O原子的进一步扩散,降低氧化速率。此外,W可以提高氧化膜与基体之间的结合力,使氧化皮不易脱落,从而提高合金的抗氧化性。
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