稀土微合金化对粉末冶金β型γ-TiAl合金热变形作用机理的研究

The development of novel beta γ-TiAl alloys is an important direction to promote the practical use of titanium aluminum based intermetallics. Based on self-developed Ti-45Al-3Fe-2Mo (at.% ) alloy, this application is to study the composition of powder metallurgy technology selected on the basis, the microstructure evolution, the thermoplastic mechanism and some other critical infrastructure problems such as tracing the rule of rare earth elements on powder metallurgy green body forming and microstructure evolution, the impact of rare earth elements on high temperature resistance to oxidation and high temperature strength and the thermoplastic deformation behavior, as well as hot rolling and superplastic behavior. This subject will further clarify a series of scientific laws in powder metallurgy method in the design and preparation of low-cost, high-performance TiAl alloy process. It also will form a powder metallurgy beta γ-TiAl alloy composition with independent intellectual property and the prototype of containerless sheet rolling and superplastic forming technology.

发展新一代β型γ-TiAl合金是推动钛铝基金属间化合物材料实用化的重要方向之一。本申请将基于自主开发的Ti-45Al-3Fe-2Mo（at.%）合金，开展其粉末冶金技术相关的成分选择依据、显微组织演化规律、热塑性机理等一系列关键性基础问题的研究。主要内容包括：微量稀土元素对其粉末冶金坯体成型和组织演化的作用规律；微量稀土元素对其高温抗氧化和高温强度的影响；含稀土合金的热塑性变形行为，以及热轧制和超塑性行为研究。本研究将进一步阐明粉末冶金方法在设计和制备高性能TiAl合金过程的一系列科学规律，形成具有自主知识产权的粉末冶金β型γ-TiAl合金成分，以及无包套低温板材轧制和超塑性成形技术原型。

本课题基于具有自主知识产权的Ti-45Al-3Fe-2Mo合金，通过粉末冶金技术添加微量稀土元素，成功开发了一种具有自主知识产权的无铌β型γ-TiAl合金成分Ti-45Al-3Fe-2Mo-0.2Er；通过对微量Er元素合金化条件下对等离子旋转电极离心雾化Ti-45Al-3Fe-2Mo预合金粉末的物理特征及雾化过程中粉末的凝固行为、组织相变规律以及后续热等静压过程中的组织遗传特征进行了分析研究，结果表明采用PREP技术，转速为18000 r/min 时可以制备粒径范围为46~150μm的TiAl合金粉末，其平均氧含量为600ppm，随着粉末粒径的变小，氧含量急剧增加，但未超过1000ppm，氮含量随粉末粒径变化不大，约为40ppm，粉末的平均粒径d50=85μm, 球形率为99.6%，松装密度为2.75 g/ cm3，流动性良好，是用于热等静压制备致密化高温TiAl合金坯料的理想原料；针对放电等离子烧结过程中烧结温度和成形压力对Ti-45Al-3Fe-2Mo-0.2Er合金的显微组织、相成分及力学性能的影响开展了系统地研究，并进一步优化SPS工艺参数为提高合金的综合性能找到了理论依据，结果发现烧结温度在1200℃可制备全致密的粉末烧结体具有优异的综合力学性能，合金在应变速率为1×10-2 /s，测试温度为800℃时塑性明显提高，双态组织具有最高的高温强度453MPa和最大的断裂延伸率45%；采用DEF0RM3D技术对TiAl基合金薄板的低温轧制过程进行数值模拟，通过改变轧制速率、轧制压下率及轧制温度的关键参数，深入系统地分析了Ti-45Al-3Fe-2Mo-0.2Er合金的温度场、应变场、应力场及破损系数等热流变行为规律，为轧制工艺的优化设计提供了理论依据；采用优化后的低温轧制工艺进行上机轧制试验，通过对成型板材的尺寸、显微组织和力学性能的检测，其各项指标均达到工艺要求，充分说明了Ti-45Al-3Fe-2Mo-0.2Er合金的薄板轧制适宜在1250℃以上的轧制温度和15%以下的压下率的工艺条件下进行，这和数值模拟分析结果基本吻合。进一步验证了之前仿真模拟和工艺优化的结果，充分证实了采用物理模拟、数值模拟与实验验证相结合的方法来设计和优化热加工成形过程的可行性。