● 摘要
γ-TiAl 基合金密度低、模量高，具有优良的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，在航空航天领域具有很好的应用前景。然而由于铸造TiAl基合室温脆性问题，限制了该材料的应用。本论文针对粉末冶金和磁悬浮熔炼两种工艺条件下制备的γ-TiAl基合金，采用不同的热处理工艺，研究合金显微组织演变规律及细晶机制，提出了TiAl基合金热处理组织控制和性能优化的最佳途径。最终采用半固态保温预处理结合后续热处理的方法获得片层团尺寸约100μm的细晶全片层组织并提高了室温延伸率。为TiAl基合金的工程应用提供了参考依据。具体研究结果如下： 首先，对粉末冶金Ti-46Al-2Cr-2Nb-(B，W)(at%)合金分别热处理获得了双态组织和全片层组织，研究了热处理工艺参数对显微组织的影响。双态组织热处理研究发现，在确定最佳热处理温度1280℃和时间2h后，当冷却速度为50 ℃/min时，片层团形成机制主要是通过在α晶粒中析出γ片层而形成，获得的显微组织除了α2/γ片层团和γ相等轴晶组成，还存在20%无片层结构的块状α2相，室温延伸率不高；而冷却速度为10 ℃/min 和5 ℃/min时，获得主要由无片层结构的块状α2晶粒和γ晶组成的显微组织，室温延伸率进一步降低。非片层结构的块状α2晶粒的存在不利于α2和γ相的变形协调，是室温延伸率不高的重要原因。全片层组织热处理研究中，确定了合适的热处理温度为1340℃和保温时间1h后。研究不同冷却速度对显微组织影响规律时发现，当冷却速度分别是5℃/min、10℃/min、50℃/min时，获得的全片层组织晶粒尺寸相近，片层间距分别为1.9μm、1.0μm、0.8μm。 室温延伸率随片层间距的减小呈增加趋势。其次，研究了循环热处理工艺对磁悬浮熔炼的铸态及HIP态Ti-47Al-2Cr-2Nb合金显微组织演变规律及细晶机制。通过对热处理工艺参数(热处理温度，时间，冷速等)的具体研究，确定了最佳热处理工艺路线为:1400℃/10min/OC, 1260℃/6h/, 1340℃/2min/4次循环，该工艺可以显著细化合金的显微组织，将平均晶团尺寸为1000μm以上的粗大全片层组织细化至晶粒尺寸约为50μm的细小、均匀的全片层组织。研究表明晶粒细化的关键在于块状转变组织的形成，而块状转变组织的形成依赖于适当的冷却速度，提高淬火温度有利于使块状转变充分进行，但过快的冷却速度（水冷）抑制块状转变组织的形成而获得无片层α2相，而较低的淬火温度则获得羽毛状组织或片层组织，不利于获得细晶组织。并且，如果时效处理前的显微组织不细小和不均匀，后续热处理也难以得到均匀的细晶组织。这种热处理细晶机制是由于块状转变组织中丰富的微观缺陷为合金中细小晶粒的产生提供了丰富的形核位置，从而有利于在下一步时效热处理时获得均匀、细小双态组织，并通过适当的循环热处理最终得到平均晶粒尺寸50μm细晶全层片组织。对比铸态及HIP态合金的组织在热处理细晶过程中除了淬火阶段稍有不同，表现为铸态合金组织HIP态合金组织更容易获得块状转变组织。在后续的时效和循环热处理过程中细晶效果相似。 此外，本论文采用半固态保温处理结合热处理的方法，成功的获得晶粒尺寸约100μm的全片层组织，提高了材料室温延伸率。最佳半固态保温温度确定为1480℃，在半固态保温处理过程中，长条状硼化物转变为细小的块状和短棒状，同时铸态粗大的柱状晶组织转变为细小的胞状组织，有效地解决了含硼的铸态TiAl基合金硼化物形态及尺寸难以控制的问题。随后将获得的胞状组织通过后续的两步热处理（1150℃/12h + 1340℃/1h）获得片层团晶粒大小约100μm的全片层组织。这种热处理的细晶机制是由于经过半固态保温处理后，形成了亚稳的胞状组织，胞状组织在1150℃热处理时通过析出细小的γ相而获得平均晶粒尺寸约30μm的近γ组织，随后进行1340℃/1h热处理时，由于硼化物的存在有效抑制了晶粒迅速长大最终获得细晶的全片层组织。通过这样的工艺获得硼化物以及合金显微组织同时细化的效果，将合金的室温延伸率提高至0.9%。
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