表面状态和铸造缺陷对TiAl力学性能影响研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wuyonghong1974
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TiAl具有优秀的比强度、比模量、抗腐蚀和抗氧化能力,是一种在600~900℃替代高温合金的理想材料,目前主要应用于飞机发动机低压涡轮叶片、汽车排气阀、涡轮增压器叶轮等部件。较差的性能一致性是TiAl进一步以及更广泛应用的主要障碍。TiAl对缺陷非常敏感,表面加工缺陷以及铸造缺陷等会对TiAl的力学性能产生有害作用,并进一步降低性能的一致性。  本文研究了TiAl经磨削、电解抛光等表面处理后TiAl的表面形貌和相应的室温塑性及800℃氧化行为;研究了熔模精密铸造TiAl中铸造缺陷的种类、分布,以及铸造缺陷对TiAl室温拉伸、700℃持久和室温疲劳性能的影响。主要结论如下:  磨削TiAl表面存在犁沟等加工痕迹,粗糙度Ra较高,表面轮廓线形状较锋利。电解抛光后加工痕迹得到消除,同时对TiAl表面产生腐蚀作用。电解抛光样品不仅粗糙度Ra更低,表面轮廓的形状也发生了变化,峰项和谷底更加平缓。  磨削态样品Ra>0.1μm时,拉伸裂纹优先从样品的表面萌生,且TiAl塑性随Ra增加而降低;Ra<0.lμm时,不会优先从表面开裂,TiAl塑性不受表面状态影响。电解抛光对TiAl塑性的提高归因为更平滑的样品表面,与Ra无直接关联。Rsk和Rku可以描述表面轮廓形状和分布,是评定表面质量的有效参数。  不同表面状态TiAl的抗氧化能力由低到高为:磨削态<机械抛光态<电解抛光态。电解抛光引入的Cl元素会产生卤化作用,提高TiAl抗氧化性。  铸造TiAl中的缩孔和大尺寸的片状夹杂更容易出现在最后凝固的位置,小尺寸夹杂位置分布则相对分散。缩孔经热等静压后基本消除,但是在原缩孔位置会形成细小的等轴γ晶粒。在1180~1260℃范围内,45XD晶粒尺寸随热等静压温度略有增加,相应的强度略有降低。  Y2O3夹杂、缩孔等铸造缺陷会在拉伸试验中成为裂纹源,降低TiAl的室温抗拉强度和断裂塑性应变。位于样品表面、大尺寸的Y2O3夹杂对拉伸性能的有害作用更大。Y2O3夹杂的临界尺寸与晶粒尺寸接近,约为70~100lμm。大部分Y2O3夹杂由小的Y2O3颗粒组成,颗粒间存在缝隙。在300MPa应力作用下,Y2O3颗粒开始发生自身开裂和颗粒间脱离。在450~500MPa应力下,Y2O3夹杂完全开裂。  在持久试验中,Y2O3夹杂很快即发生开裂。当夹杂尺寸和应力较大时,合金发生脆性断裂,持久性能较差;当夹杂尺寸和应力较小时,裂纹不会从夹杂向TiAl基体发生扩展,对持久性能无明显影响。  铸造缺陷会在疲劳过程中成为裂纹源,大幅缩短疲劳裂纹的萌生过程,对疲劳寿命产生不利影响。各种缺陷中Y2O3夹杂的占比最多,并且由于其尺寸通常较大,会对疲劳寿命产生较大影响;小平面尺寸通常较小,对疲劳寿命的影响相对较小;缩孔经热等静压压实后形成的等轴组织与夹杂和小平面同时出现时对疲劳寿命的影响较大。  根据Paris公式和Murakami公式,在已知缺陷尺寸和位置的情况下,可以对疲劳寿命进行预测,使用合适的Paris参数计算得到的疲劳寿命和试验测得值接近,相差不超过两个数量级。
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