钛合金由于具有令人知足的综协力学性能,使它们成为航空航天工业的备选质料,如涡轮发念头和飞机构架等都接纳钛合金制作。发念头对钛合金的要求苛刻,它要求质料具有优异的室温性能、高温强度、蠕变性能、热稳固性、疲劳性能和断裂韧性等的匹配,尤其是合金在服役条件下的蠕变行为,它决议合金的使用寿命和发念头的清静可靠性。因此研究钛合金高温蠕变行为及其影响机理具有主要意义。
一些主要的内外因素,如温度、时间、组织结构等对合金的蠕变性能都有影响。
1)蠕变参数(温度、应力、时间)对蠕变性能的影响
P . J .Bania等对Ti6242- Si ( Ti -6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.07Si)合金的蠕变行为研究发明差别温度规模内有差别的蠕变机制。在496℃~565℃规模内是高激活能控制历程;在454℃~482℃规模内为低激活能控制历程。 W.Cho等研究了Ti -6242的蠕变行为,发明在760℃高应力水平下蠕变时,稳态蠕变受指数应力控制;在760℃低应力下蠕变时,则可视察到线性关系。
2)微观组织对合金蠕变性能的影响
高温钛合金热处置惩罚主要有两种方法:一种是在 B转变点以上举行,称为B 处置惩罚,所得组织为粗大原始 B 晶粒内部析出一定取向的 a ,称为魏氏组织;另一种是在 a + B 两相区举行,也称 a + B 处置惩罚,所得组织为细等轴初生 a 相,漫衍在转变 B 相基体中,也称等轴组织。近 B 铸造工艺是在相变点以下10℃~15℃加热、变形。变形后快淬的煅件经两次高温加一次低温的强韧化处置惩罚,其组织由一定命目的等轴初生 a 相、条状 a 组成的网篮和转变 B 相基体组成(三态组织)。
对Ti-6Al-4V研究发明网篮组织比等轴组织有较好的蠕变抗力。这是由于差别的形态具有差别的蠕变机制。蠕变即为缓慢变形,在等轴组织中滑移变形首先是从个体 a 晶粒中最先,随着应变量增添,滑移将占有越来越多的a晶粒,随后才向周围的由a转变形成的B晶粒扩展,以是蠕变朴陋形核较迟,可是朴陋一旦形核,即可迅速扩展而形成准解理断裂;在网篮组织中滑移易在晶界处爆发严重的位错塞积,从而增进了蠕变朴陋的形核与生长,可是杂乱交织的片状 a 给蠕变滑移增添了难题。只管朴陋形核较早,但扩展难题,形成晶内损伤而泛起显着的解理特征;三态组织兼有前两者的蠕变特点,朴陋既难形核,又不易扩展,因而在扩展区解理迹象不显着,以准解理断裂为主。R.T Chen等人研究了 Ti -6211( Ti -6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo)的蠕变性能与组织的关系。发明Ti-6211蠕变的名义激活能与自扩散激活能的值很靠近。这批注高温蠕变是由扩散历程控制的。在高温蠕变试样上视察到了位错偶和位错环。这种位错结构源于位错割阶或位错攀移,高温时将变得更容易些。 Ti-55(Ti-5.5Al-4.2Sn-2.2Zr-1.2Mo-0.3Si-1Nd)合金高温蠕变行为研究批注在相同的蠕变条件下,网篮组织的稳态蠕变速率较低,网篮组织比双态组织体现出更好的抗蠕变能力,也批注随着高温钛合金中等轴初生 a 含量的增添,合金的抗蠕变性能逐渐下降。
3)合金元素对变行为的影响
高温钛合金中大都添加了少量合金元素 Si 。Poton和Mahoney指出Ti-Si系合金高温蠕变后,发明在位错区有硅化物析出,硅化物对位错有很强的钉扎作用;在Ti-60合金中,固溶的硅易偏聚形成气团,对位错运动起到强烈的阻碍作用,使合金具有优异的蠕变性能。当Si与Zr或 Mo、V 综合作用时效果最好。 G . S . Hall 等指出在Ti-Al- Sn -Zr 合金中,同时加入Mo和Si既可坚持高的蠕变强度,又有用地改善了合金的高温瞬时拉伸强度。现在高温钛合金中还添加了稀土元素,添加少量稀土元素,合金不但具有优异的蠕变性能,并且有很好的热稳固性能和疲劳性能。
4)提高蠕变抗力的可能机制
人们从实验角度对 Ti 合金蠕变行为举行研究,并提出它们在差别条件下的可能蠕变机制:
a)合金元素与空位或割阶的相互作用。由于蠕变历程中的位错攀移,合金元素与空位或割阶的相互作用一定对提高蠕变阻力有关,并且所需合金含量不大就有显着作用。
b )使用降低晶界运动的外貌活性元素。由于有些外貌活性元素能提高品界扩散的激活能,并且对增添晶界裂纹的外貌能都是有利的。
c)合金元素与位错形成种种气团。如 Cottrell 气团、Snoek气团和Suzuki 气团等,这类作用随着金属层错能的差别而有较大的收支。
d )合金元素对原子键平均强度的提高。首先当合金元素含量靠近某一稳固化合物时,其蠕变速率会泛起陡变。这一方面说明晶内滑移控制了晶界滑动,另一方面也显示出原子键强度的提高对蠕变阻力的作用。
e )弥散相的作用。一样平常要求弥散相主要漫衍在晶内,但为了控制晶粒度和限制晶界滑动在晶界上的弥散相也是有用的,不过它带来两个负作用:一是超塑性化,二是增添晶界裂纹的成核。一样平常在低应力和低蠕变速率下,主要是晶界的作用;在高应力和高蠕变速率下,主要是晶内的作用。同时应该注重,提高弥散相的稳固性对合金也是一个要害问题。由于获得具有某种弥散度的弥散相并不太难,但坚持合金在高温下使弥散相不长大却不是一件很容易的事,这主要与弥散相的扩散速率和基体的界面能有关。为了阻止弥散相长大就希望它与基体是不互溶的,同时界面能越低越好。
提高钛合金的蠕变强度,除加入 a 稳固元素外,还可加入某些具有强化作用的 B 稳固元素以及稀土元素RE 。 Hiltz以为,由于 RE 在a钛中有一定的固溶度,REO2又是稳固的高熔点化合物,以是 RE 加入纯钛后,主要起内部氧化作用。 Tang 等、尤力平研究了 Er、Gd 、Y 等稀土元素对 Ti -6242S合金、IMI829合金、Ti -8AI合金的显微组织及性能的影响,效果批注:稀土元素与合金中的氧团结形成氧化物粒子,在细化晶粒、提高疲劳性能、改善热稳固性等方面都施展了有益的作用。
海内研制高温钛合金与外洋有较大差别,尤其是在应用方面。海内500℃以上高温钛合金品种虽多,但现在获得现实应用的只有Ti53311S合金,大都是实验室或半工业试制性的效果。只管云云,高温钛合金研究仍是一个热门领域,专业化生产厂、专业化研究院与设计应用部分的有机团结,必将使高温钛合金的产品研制和应用获得快速生长,缩小与外洋差别。凭证国际研制现状,现在高温钛合金的生长趋势是:
①合金设计由少元到多元,合金化越来越趋向合理, Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-(RE)系近 a 钛合金占主导职位,Si 元素是高温钛合金中必不可少的主要元素。
②稀土元素是高温钛合金中具有应用远景的主要元素。
③继续研制开发具有特殊用途的高温钛合金。
④ Ti-Al (Ti3Al和 TiAI )基合金及钛基复合质料(颗粒增强钛基复合质料
和 SiC 长纤维增强钛基复合质料)研制必将获得进一步的增强。
⑤高温钛合金的特殊加工工艺研究。
⑥抗氧化涂层的研究与应用。