哈尔滨工业大学Jmst:添加硼以提高钛铝合金的强度和塑性

TiAl合金具有较低的密度和比模量,广泛应用于航空航天和汽车领域。铸造法是生产TiAl合金的一种经济技术,铸造法生产的主要缺点是α2/γ片层粗大和偏析严重,室温塑性差严重限制其广泛应用。针对上述问题,TiAl复合材料是获得细化的α2/γ片层、轻微偏析和优异力学性能的有效方法。Nb和Mo作为β稳定元素,有效地提高了TiAl合金的抗蠕变、抗氧化性能和高温强度。在TiAl合金中,B在细化上有局限性,低硼含量时,包晶反应的发生削弱了硼的细化,细化效果取决于形核速率和包晶反应之间的竞争。现有研究表明,不同形状和长径比的硼化物对TiAl合金的强度和塑性有不同的影响。随着硼含量的增加,硼化物的形态发生变化。研究不同硼化物形态对TNM合金室温压缩性能的影响是必要的。在以往的许多研究中,TiAl合金中B的添加量不超过1%,更多B含量对TNM合金的影响还需要进一步研究。

来自哈工大和山东科大等单位的研究人员讨论了不同B含量合金的宏观/组织演变、力学性能和变形机制,并分析了压缩过程中的变形机理。相关论文以题为“Enhanced strength and ductility in Ti46Al4Nb1Mo alloys via boron addition”发表在Journal of Materials Science & Technology。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.06.037

本研究采用电弧熔炼制备Ti46Al4Nb1Mo-xB合金(x=0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%),B以粉末形式加入,翻转重熔4次,以下简称TNM-xB合金。

研究发现当B含量为0.4%和0.8%时,宏观/微观组织为柱状枝晶,具有明显的二次枝晶臂。当B含量为1.2%时,形成等轴晶而不是柱状晶,并随着B含量的增加而进一步细化,表明B的加入改变了柱状晶径向生长的条件,有效细化了TNM合金的α2/γ片层。当B含量为0.4%和0.8%时,在晶界附近形成了平直和弯曲TiB相,B含量超过1.2%,随着弯曲TiB数量的减少,细小的直相数量增加,在TNM-1.6B和TNM-2.0B合金中变得更粗。XRD结果表明,TiB和TiB2均在TNM-2.0B合金中形成。

图1 宏观组织(a)TNM;(b) TNM-0.4B;(c) TNM-0.8B;(d) TNM-1.2B;(e) TNM-1.6B;(f) TNM-2.0B

图2 SEM图(a)TNM;(b) TNM-0.4B;(c) TNM-0.8B;(d) TNM-1.2B;(e) TNM-1.6B;(f) TNM-2.0B

图3 TNM-1.6B合金的断口形貌

图4 (a)、(b) TNM合金变形至20%;(c)和(d) TNM-1.6B合金变形至20%

图5 TNM-1.6B合金变形至29%后的TEM图、EDS图、HRTEM图

本文研究了不同B含量对TNM合金组织及性能的影响。与TNM合金相比,添加1.6% B时,TNM合金的抗压强度和应变最大,分别为2339 MPa和33.7%。随着更多的纳米变形孪晶在TNM-1.6B合金中形成,纳米孪晶边界数目的增加阻碍和容纳了更多的位错。阻碍位错滑移进而提高强度,位错的调节避免了应力集中,从而使抗压强度和延性同时提高。除晶粒细化外,TiB的第二相强化机理主要是随着压缩应变的增加促进了变形孪晶和高密度位错的形成。本文系统的分析了少有研究的高B含量对TNM合金的影响,对含B的TNM合金设计提供了理论基础。(文:破风)

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