电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性.pdf

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电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性1 电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性2 电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性3 电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性4 电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性5 电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性6 电子束沉积TiAl合金的微观形貌及组织结构稳定性7
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第44卷2016年1月第1期—第8995页材料工Journa1ofMaterials程EngineeringVo1.44No.1——Jan.2016PP.8995电子束沉积TiAI合金的微观形貌及组织结构稳定性—MicromorphologyandMicrostructureStabilityofTiA1AlloyDepositedbyElectronicBeam马李,何录菊,邵先亦,王古平,张梦贤(1广东石油化工学院机电工程学院,广东茂名525000;2哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001;3广东石油化工学院教育信息技术中心,广东茂名525000;4台州学院物理与电子工程学院,浙江台州318000)———MALi,HELuju。,SHA0Xian-yi,WANGGuping,ZHANGMengxian(1CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,Guangdong,China;2CenterforCompositeMaterialsandStructures,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;3EducationandInformationTechnologyCenter,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,Guangdong,China;4CollegeofPhysicalandElectronicEngineering,TaizhouUniversity,Taizhou318000,Zhejiang,China)摘要:利用大功率电子束物理气相沉积设备,采用单靶蒸镀方法制备厚度为0.3mm的自由态TiA1合金板,并对制备态℃样品进行不同温度(650 ̄950)的真空退火处理。借助x射线衍射仪、扫描电子显微镜及透射电子显微镜分析退火处理对相组成及微观组织结构的影响。结果表明:Ti,A1元素饱和蒸气压的差异导致富Ti成分区和富Al成分区沿板材截面呈现交替变化,其组成相为一Ti。A1,7-TiA1和rTiA1z;在65o ̄95o ̄C温度区间退火24h后,由于Al向Ti中扩散,呈现明显的界面融混和晶粒粗化,导致有序相含量的降低,其层状结构的退化受到孔洞形成、晶粒长大以及层间吞噬的影响。关键词:电子束物理气相沉积;TiAl合金;饱和蒸气压;微观形貌;结构稳定性—doi:10.11868/j.issn.10014381.2016.01.014中图分类号:TG146文献标识码:A———文章编号:10014381(2016)01008907—Abstract:AfreestandingTiA1basedalloythinsheetwiththicknessof0.3mmwaspreparedbysingle———sourceevaporationtechnologywithhighpowerelectronbeamphysicalvapourdeposition(EBPVD)——℃—svstem,andthentheasdepositedsampleswereannealedinvacuumat650950.Theeffectofan—nealing0nthemicrostrUCtureandphaseconstitutionofTiAlbasedalloywasstudiedwithX-raydiffraction(XRD),scanningelectronmicroscope(SEM)andtransmissionelectronmicroscope(TEM).——TheresultsshowthatalternationofTirichareaandAlrichareaispresentedalongthecrosssection——ofthesheetduetodeviationofsaturatedvapourpressurebetweenTiandAlelement,andtheasde——℃pos.itedsampleiscomposedof2一Ti3A1,7-TiA1andrTiA12phases.Afterannealedat650950for24h。obviousinterfacialreductionandgraincoarseningappearwiththediffusionofA1intoTi,leadingtoorderedphasesreduce.Thebreakdownoflayeredstructureisinducedbyporeformation,graingrowthandgrainboundarygrooving.—Keywords:EB-PVD;TiAlbasedalloy;saturatedvaporpressure;micromorphology;structuralstability℃在650~850温度区间,基于能替代Ni基高温合金的轻量化选材要求,TiA1合金薄板在高超声速飞行器热防护系统中的应用已纳入未来欧洲航空运输研究计划。TiA1合金耐高温、比强度和比刚度高、弹性模量、抗蠕变性能均比Ti合金优异而与Ni基高温合金相当,被认为是航空航天推进系统高温结构部件90材料工程2016年1月的重要候选材料,在航空发动机低压涡轮叶片、旋流器以及航天飞机的蒙皮等高温部件上具有广泛的应用前景,同时也是汽车发动机用增压涡轮和排气阀等零件的理想材料l2],但TiAl合金的本征脆性使得制备大尺寸超薄TiAl合金薄板的难度很大]。目前,研究较多、工艺较成熟的TiAl合金薄板制备技术,几乎都需要对合金进行以轧制为核心的热加工,如Liang等采用包套热轧工艺制备了TiAl合金薄板,Shagiev等_6采用相同技术制备得到0.4mm厚的TiAl合金薄板。由于特殊轧制技术工序繁琐,Weaver等采用铸轧技术实现了TiA1合金薄板的制备,铸轧技术是将热轧与传统的铸造技术相结合的一种近净成形技术,其工艺简单、成本低廉,是一种很有潜力的薄板制备技术,k要解决其所制薄板组织粗大、均匀性差、氧含量高等问题。此外,熔融溢流快速固化—技术(MeltOverflowRapidSolidKicationTechnology,MORsT)也用来制备组织均匀、细小且致密度与强度较高的TiAl合金薄板,MORST制备的产物纯净、组织性能良好且成本较低,但室温塑性通常较差[8]。常用于rriAl合金板制备的普通轧制工艺,包括粉末活化(ReactivePowder,RP)_g和箔片活化(ReactiveFoil,RF)_】。_两种方法。RP法制备TiAl合金板是一个由扩散控制、生成rriAl。和TiAl等中间相的复杂过程。由于Ti,A1两元素的扩散系数相差很大,在无压烧结时由于扩散形成的孔洞会产生大幅度的体积膨胀,因此必须利用热压、热等静压等加压烧结方法,抑制体积膨胀,消除孔隙,以提高板材的致密度和力学性能。江盎等_l】采用低压烧结冷轧Ti,Al粉末板坯,制备了TiA1合金板材,但其致密度较低。出于降低薄板中氧含量并提高致密度的考虑,LUO等口利用RF法制备—了孔隙率仅为3.43的单相T-TiA1合金薄板。Jakob等利用RF工艺制备的Ti一48.4Al合金薄板的室温伸长率约为1,抗拉强度可达400MPa。David等们将叠加的Ti,Al箔通过自蔓延高温合成制备TiA1合金板材,其抗拉强度达到460MPa。RP方法的主要缺点在RF方法中均得到了改善,不过RF工艺路线的制备成本较高,并且扩散反应比反应烧结获得均匀TiA1合金的难度要大得多。为制备用于高超声速飞行器热防护系统金属面板的大尺寸(500mm×≤500mm)超薄(300ffm)TiAl合—金板材,选用电子束物理气相沉积(ElectronBeamPhysicalVaporDeposition,EB-PVD)作为制备方法。作为一种近净成形技术,EB-PVD无需特殊轧制工序,具有沉积速率高、可制备多种结构和几乎任意体系材料、能够避免靶材与坩埚间发生化学反应及坩埚放气污染等优点口引。前期工作曾利用该工艺制备了Ni基高温合金板、Fe基合金板等大尺寸板材[1,并制备了以Ti增韧的TiAl/Ti微层材料,经过致密化处理的TiAl/Ti微层材料的室温强度和断裂伸长率分别达到600MPa和2.83_1。目前国内外针对EB-PVD制备TiAl合金板的研究集中于工艺控制和力学性能,但对利用该工艺制备TiAl合金的微观组织结构形成机理或在高温下微观组织变化特征的研究报道不多。本工作采用EB-PVD工艺制备TiA1合金薄板,对其微观组织结构进行了研究,并进行650~950。C区间不同温度的退火处理,分析TiAl合金板组成相的形成机理,观察分析材料微观组织结构的变化特征。1实验材料与方法1.1原料及试板制备利用L5型大功率电子束物理气相沉积设备制备TiAl合金板,靶材为北京航空材料研究院提供的Ti一48AI(原子分数,下同)靶,基板材料为直径lm的圆形不锈钢(1Cr18Ni9Ti)片,装入真空室前在乙醇与丙酮的混合溶液中超声清洗20min。蒸发靶材前先在基板上沉积厚度为10ffm的BN抗粘接层,以便于沉积结束后合金板从基板上分离。制备工艺参数为:真空≤压强4.6×10一Pa,束流强度1~2A,基板温度700C,基板旋转速率10rad/min,蒸发时间90rain。沉积完毕后,继续保持高真空状态,待基板自然冷却至℃50以下时,打开真空室,取下材料。试样经裁切后用石英管抽真空封装放入在马弗炉中,分别在650,750,850,950。C4个温度下进行24h的保温处理。1.2分析测试采用D/max-rB自动X射线衍射仪(xRD)测试材料组成相;采用¥47oo扫描电子显微镜(SEM)进行组织形貌观察;采用Hitachi一8100型透射电子显微镜(TEM)对材料横截面进行微观组织观察及物相分析。2结果与讨论2.1制备态样板的微观组织结构图1为TiAl合金板制备态样板的表面显微形貌。靠近基板一侧的SEM照片说明沉积层在生长初期存在岛状生长模式。在形成连续膜之前的沟渠阶段,岛与岛聚结后会形成若干无规则沟渠和显微孔洞,后续沉积粒子对这些沟渠和孔洞的填充不完全,使腐蚀液容易在这些部位形成较深的腐蚀坑,因此颗粒形貌不第44卷第1期电子束沉积TiA1合金的微观形貌及组织结构稳定性95——QIANJiuhong,QIXuezhong—*/-titaniumaluminidealloysEJ]—2012,26(6):477482.ApplicationanddevelopmentofChineseJournalofRareMetals,E2]陈玉勇,崔宁,孔凡涛.变形TiAl合金研究进展[J].航空材料学报,2O14,34(4):¨2一¨8.———CHENYuyong,CUINing,KONGFantao.ProgressofdeformedTiAlalloys[J].JournalofAeronauticalMaterials,2014,—34(4):112118.[3]熊华平,毛建英,陈冰清,等.航空航天轻质高温结构材料的焊接—技术研究进展[J].材料工程,2013,(10):112.————X10NGHuaping,MAOJianying,CHENBingqing,eta1.Re—searchadvancesontheweldingandjoiningtechnologiesoflightmasshigh-temperaturestructuralmaterialsinaerospacefield[J].—JournalofMaterialsEngineering,2013,(10):112.[4]CUIXP,FANGH,GENGL,eta1.Fabricationoffullydense—TiA1一basedcompositesheetswithanovelmicrolaminatedmicro—structure[J].ScriptaMaterialia,2012,66(5):276279.—[5]LIANGXP,LIUY,LIHZ,eta1.AninvestigationonmicrostructuralandmechanicalpropertiesofpowdermetallurgicalTiA1——alloyduringhotpackrolling[J].MaterialsScienceandEngineer—ing:A,2014,619:265273.[6]SHAGIEVMR,SENKOVON,SALISHCHEVGA,etaI.Hightemperaturemechanicalpropertiesofasubmicrocrystalline—‘———Ti47A13Cralloyproducedbymechanicalalloyingandhotiso_craticpressing[J].JournalofAlloysandCompounds,2000,313——(12):201208.[7]wEAVERML,CALHOUNCM,GARMESTANIH.Microstructure,texture,andmechanicalpropertiesofcontinuouslycastgammaTiA1[J].JournalofMaterialsScience,2002,37(12):——24832490.——[8]KULKARNIKN,SUNY,SACHDEVAK,eta1.Fieldactiva—tedsinteringofblendedelemental7~TiAlpowdercompacts!po—rosityanalysisandgrowthkineticsofA13Ti[J].ScriptaMateria—lia,2013,68(11):841844.[9]SHAGIEVMR,sALIsHcHEVCA,SENKOVON,eta1.PropertiesofTiA1sheetpack-rolledattemperatur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周大爷
该用户很懒,什么也没介绍
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