新型β/γ TiAl合金的振动场辅助超塑性成形机理研究
批准号：
52105336
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
孙明翰
依托单位：
学科分类：
成形制造
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
孙明翰
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
TiAl合金轻质耐高温的特点使其在航空航天用高温结构材料领域的关键作用日益突出。采用新型β/γ TiAl合金配合以超塑性工艺，虽然能突破成形能力的藩篱，但是β相的引入促生了组织质量与成形能力这一新的对冲矛盾，导致高性能、高精度复杂零部件的一体化制备深陷瓶颈。本项目拟通过振动场辅助超塑性成形技术解决上述难题，因此需深入开展以下研究：振动条件下β/γ TiAl合金超塑性的宏观力学行为；振动场对该合金超塑性成形能力影响的微观机制；振动场对该合金超塑性成形件微观结构及性能的影响及机理。本项目的创新之处在于引入振动场，基于其对β/B2相的作用机制，宏微观多尺度揭示β/γ TiAl合金振动场辅助超塑性成形机理，从而协同提升成形性与力学性能，为有效解决二者之间的矛盾开辟了崭新的途径。本项目对满足航空航天技术发展带来的制备高精度、性能优异、形状复杂β/γ TiAl合金零部件重大需求具有重要的战略意义。
英文摘要
TiAl alloys play an important role in the field of high temperature structural materials for aerospace applications due to their light weight and high temperature resistance. The novel β/γ TiAl alloy combined with superplastic process can break through the barrier of formability, but the addition of β phase promotes a new contradiction between microstructure quality and formability, which leads to the dilemma of the integrated process of complex components with high performance, good precision. This project intends to solve the above problems through the vibration field assisted superplastic forming technology. In this proposal, the following studies should be carried out in depth: the macro-mechanical behavior of theβ/γ TiAl alloy during superplastic process associated with vibration field; the micro-mechanism influence of vibration field on the superplastic formability of this alloy; the effects of vibration field on the microstructure and properties of the components by superplastic forming. The innovation of this project lies in revealing the effect mechanism of the vibration field assisted superplastic forming technology on the β/γ TiAl alloy from both macro and micro scales benefited from the vibration field’s effect on β/B2 phase, which will make advancement in both the formability and mechanical properties and further open up a new way to effectively solve the dilemma. This project is to produce β/γ TiAl alloy components with high precision, excellent performance and complex shape, that is of great strategic significance raised from meeting the meaningful demand induced by the development of aerospace technology.
TiAl合金轻质耐高温的特点使其在航空航天用高温结构材料领域的关键作用日益突出。但作为一种金属间化合物，本征脆性极大限制了TiAl合金构件成形技术的发展。引入β相虽然可以有效提升TiAl合金的高温成形能力，但β相室温下转变为脆硬的B2相，却会进一步恶化其室温塑性。为了解决这一问题，本项目创新性提出TiAl合金振动辅助成形新方法，通过在成形过程中施加振动实现成形能力与成形件性能的同步提升。为此，本项目围绕“振动的宏观力学作用机制”、“振动提升塑性成形能力的微观机理”、“振动对成形件微观组织及性能的影响”等三方面研究内容要点开展了系统深入研究并取得了显著进展。研制出了振动辅助热拉伸及振动辅助锻造实验平台，通过振动的施加，将具有粗大片层组织的铸态TiAl合金热塑性延伸率由34%提升至82%，由低塑性水平转变为呈现近超塑性特征，同时提升了成形件性能。发现了“多段径缩”效应是振动状态下TiAl合金塑性延伸率提升的主要宏观力学作用机制，并揭示了振动场辅助成形中“多段径缩”现象的形成机理。探明了振动促使TiAl合金以普通位错为主导的变形机制转变为超位错主导，从而显著提升了位错迁移能力，实现了对α2/γ相界面的穿越，是塑性提升主要微观机制。厘清了振动对TiAl合金变形过程中位错运动、孪晶生成、相变、动态再结晶、α2/γ相协调变形等物理行为的影响规律及机制。提出了两步振动锻造法，通过第二步振动小变形锻造，构建多层级孪晶强化的胞状组织结构，实现了TiAl合金强塑性的提升。上述研究，总体上完成了预期研究内容，达到了预期目标，获得了数项有意义的研究成果。为具有本征脆性的TiAl合金材料成形技术的发展开辟了新途径，并奠定了良好的理论基础。对满足航空航天领域结构减重发展趋势对于轻质高强、复杂精密TiAl合金零部件的重大需求，具有重要战略意义。
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