热变形β型γ-TiAl合金热暴露和高温持久加载条件下的组织稳定性及其控制机制

Novel beta-gamma TiAl alloys exhibit advantages such as fine-grained solidification microstructure,superior hot workability and machinability,which open up new way for development of γ-TiAl alloys.Different from common two-phase γ-TiAl, there have been no relevant reports and exact definition on the service microstructure or application temperature of beta-gamma TiAl alloys，up to today；the deformation microstructure consisted mainly of γ + B2/β and the heat-treated fully lamellar microstructure both possess the application potentials.During service process, TiAl alloy parts are subjected to complex and interactive affection of high temperature,corrosion environment and loading, microstructural thermal stability is rather necessary for long-term high-temperature service.In this program, we focus on two promising microstructure features of beta-gamma TiAl alloys, their high-temperature oxidation behavior,the microstructural stability under static thermal exposure and long-term high-temperature loading conditions are investigated and evaluated, and the high-termperature oxidation rules and microstructural unstability mechanism would be revealed as well.This study will make up the present research shortages of beta-gamma TiAl alloys, and also provide references and theoretical foundation for the service microstructure design and safe application of this alloy style.

新型β型γ-TiAl具有均匀细小的凝固组织、优良的高温变形能力和机加工性能等优点，为γ-TiAl合金的发展开辟了新途径。与双相的γ-TiAl合金不同，当前关于beta-gamma TiAl合金的服役组织特征和使用温度没有明确的报道和界定，γ + B2/β为主的热变形组织和热处理后的全层片组织都具备作为服役组织的潜力；TiAl合金零部件在服役过程中遭受着高温、腐蚀介质和载荷等的交互作用，组织持久服役热稳定性至关重要。本课题围绕热变形β型γ-TiAl合金具有应用潜力的两类组织特征，针对高温氧化行为、静态热暴露和高温持久加载条件下的组织稳定性进行系统研究和评价，并揭示β型γ-TiAl合金不同组织的高温氧化规律和组织失稳机理。本课题弥补了当前β型γ-TiAl合金研究的不足，将为此类合金服役组织的设计和安全应用提供参考并奠定理论基础。

Ti-Al金属间化合物（γ-TiAl合金）是700-900℃替代镍基合金的理想轻质耐高温结构材料，在航空航天和汽车发动机、高超声速飞行器热防护结构等领域具有广阔的应用前景。新型β型γ-TiAl具有均匀细小的凝固组织、优良的高温变形能力和机加工性能等优点，为γ-TiAl合金的发展开辟了新途径。然而，热加工/成形后具有应用价值的全片层组织结构β型γ-TiAl合金的制备、组织稳定性和服役温度的界定等，还缺乏系统的研究和报道。γ-TiAl合金零部件（如高压压气机叶片、低压涡轮叶片和增压涡轮等）在服役过程中遭受着高温、腐蚀介质和载荷等的交互作用，组织和性能的热稳定性至关重要。. 本课题针对β型γ-TiAl合金的全片层结构服役组织制备、高温氧化行为、静态热暴露和持久加载条件下的组织稳定性及其控制机制进行了系统研究和评价，为新型β型γ-TiAl合金的设计和工程应用提供重要的参考，奠定理论基础。. 本课题研发了4种β型γ-TiAl合金：铸锭冶金法的Ti-44Al-3Nb-1Mo-1V-Y、Ti-44Al-6Nb-2Mo-Y、Ti-45.5Al-4Nb-2Mo-B和粉末冶金的Ti-44Al-6Nb-1Mo-B-Y合金。掌握了大尺寸高铌β型γ-TiAl合金的热包套锻造技术，提出了“β相区均匀化退化”的全新理念来制备不含单一α相区间的γ-TiAl合金的全片层组织。全片层组织特征β型γ-TiAl合金的高温抗氧化性能随着Al、Nb和Mo含量的增加而提高，800℃生成的氧化膜致密，且厚度较薄。氧化过程伴随着纳米级TiO2和Al2O3含量比例的交替变化和分层现象；氧化初期主要优先生成较大颗粒尺寸的TiO2和Ti2AlN产物，长时间氧化产生了大量TiO2局部聚集的孤岛现象；全片层组织β型γ-TiAl合金，750-900℃长时间静态热暴露或者短时间持久加载均出现了内部组织的失稳现象：主要形式为α2/γ片层结构在晶团周围分解，产生B2和γ相晶粒，即: L(α2/γ) → γ + B2，内部出现γ层片的再结晶长大和α2相片层内部B2相的不连续析出。全片层组织γ-TiAl合金的组织失稳，尽管造成高温塑形/热变形能力的改善，然而恶化室温塑形和高温强度。这与B2/β相的低温脆性，以及β优异的高温塑形变形能力紧密相关。