摘 要

Ti-Al基合金在很长时间里，被认为是理想的航天材料。由于晶格类型特别，引起塑性变形能力变差，加工非常困难。合金化后,它的成品率也不能令人满意,其加工难度降低,成本被提高。粉末冶金方法，加上先进的加工方法,能制取优良性能的成形件。进而提升金属原料利用率,此方法是制Ti-Al类合金的最佳方法。

本课题研究的是采用机械合金化以及热压烧结法制备Ti-Al-Nb-B合金，就B添加量对Ti-Al-Nb合金的影响进行探讨，并对粉末及烧结试样的显微形貌和涂层物相进行表征，然后对烧结试样的显微硬度、拉伸性能等常温力学性能进行分析测试，研究Ti-Al-Nb-B合金微观组织、物相、力学性能与B添加量的关系。

本文的研究结论如下：当硼添加量较小时，随着硼添加量的增加，所制备的Ti-Al-Nb-B合金性能提升。硼化物微观结构的特征是针状细小晶粒，硼添加量对Ti-Al-Nb-B合金的影响，是通过硼化物的弥散强化机制发生作用的。当硼添加量增加到0.6%及以上时，出现了硼化物的减少和粗化现象，造成Ti-Al-Nb-B合金硬度的上升。硼添加量对Ti-Al-Nb-B合金的组织和性能的提升存在一个最佳的范围，硼添加量过大过小都不利。此方法可通过添加合适的B含量以制取优异性能和优良组织的Ti-Al-Nb-B合金。

关键词：粉末冶金；Ti-Al-Nb合金；微观组织结构；力学性能

Effect of Boron Addition on Microstructure and Properties of Powder Metallurgy Ti-Al-Nb Alloy

Abstract

Ti-Al alloy is considered to be an ideal space material for a long time. Because the lattice type is special, the plastic deformation ability becomes worse, the processing is very difficult. After alloying, its yield is not satisfactory,its processing difficulty is reduced, the cost is improved. Powder metallurgy method,coupled with advanced processing methods, can make excellent performance of the forming parts.

In order to improve the utilization rate of metal raw materials, this method is the best method for making Ti-Al alloys. In this paper, the Ti-Al-Nb-B alloy was prepared by mechanical alloying and hot pressing sintering, and the effect of B addition on Ti-Al-Nb alloy was discussed, and the microstructure and coating phase of powder and sintered specimen were characterized, and then the microhardness of sintered specimen and the relationship between microstructure, phase, mechanical properties and B addition of Ti-Al-Nb-B alloy was studied by analyzing and testing the mechanical properties of normal temperature, such as tensile properties.

The conclusion of this paper is as follows: When the amount of boron added is small, with the increase of boron addition, the properties of the prepared Ti-Al-Nb-B alloy are improved. The microstructure of boride is characterized by needle-like fine grains, and the effect of boron addition on Ti-Al-Nb-B alloys is achieved through the dispersion enhancement mechanism of boride. When the amount of boron added increased to 0.6% and above, the decrease and coarsening of boride appeared, resulting in the increase of hardness of Ti-Al-Nb-B alloy. The amount of boron added has an optimal range for the improvement of the microstructure and properties of Ti-Al-Nb-B alloys, and the amount of boron added is not too great to be too small. This method can be achieved by adding appropriate B content to make excellent performance and excellent tissue of the Ti-Al-Nb-B alloy.

Keywords: Powder metallurgy; Ti-Al-Nb alloy; Microstructure; Mechanical properties.

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的意义与背景 1

1.2 Ti-Al-Nb合金制备的研究进展分析 2

1.3 研究目的及主要研究内容 3

第二章 实验材料、设备与方法 5

2.1 实验材料 5

2.2 实验设备与装置 5

2.3 Ti-Al-Nb-B合金的制备工艺及方法 6

第三章 B添加量对Ti-Al-Nb合金的影响 8

3.1 B添加量对合金物相组成的影响…………………………………………………………8

3.1.1 球磨后粉体的XRD数据分析………………………………………………………..8

3.1.2 烧结后片状块体的XRD数据分析…………………………………………………..8

3.2 B添加量对Ti-Al-Nb合金显微组织的影响 9

3.2.1 金相显微组织分析 9

3.2.2 扫描电镜图像分析 11

3.3 B添加量对Ti-Al-Nb合金显微硬度的影响…………………………………………….14

第四章 经济性分析 15

4.1 制备经济性 15

4.2 B添加量对Ti-Al-Nb合金制备经济性的影响 15

第五章 结论及展望 16

参考文献 17

致谢 20

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义与背景

钛铝基合金作为性能优异的一种金属材料^[1]，如今已在多个领域得到深入的研究和应用^[2]。研究发现钛铝合金拥有多种优点^[3]。TiAl基合金的比强大,能预防氧化，然而TiAl基合金常温下的塑性变形能力低,且制成成品能力差,所以使得其使用的范围大大缩小^[4]。现在主要需要解决的事情，是常温下塑性变形差的问题^[5]。MA作为粉末冶金中的一种方法，制取的产品原料可以有十分细小晶粒^[6]。所以利用球磨法制得的TiAl基合金，可能改善其常温脆性高的问题，以及提高加工后的性能^[7]。另外，球磨时发现，和烧结时增加压力与温度一样,高能量化的球磨，能提升Ti-Al-Nb-B粉末真空烧结时的致密程度^[8]。而且前者产生的作用更加明显。球磨越久,样品经烧结后越致密^[9]。科研人员利用高速高能球磨法，研究了所制得的TiAl基合金的组织与其力学性能。采用MA与真空烧结的方法，可以取得不但晶粒弥散分布,而且组织细小的合金^[10]。此法制的TiAl基合金，它们的微观组织与性能，有着较多的紧密的联系^[11]。它们的常温强度与塑韧性，随着晶粒组织变细而得到增强^[12]。

粉末冶金高速球磨可以用较低成本，大批量地制得优良性能的粉末冶金零件,零件本身的性能、密度与粉末锻造接近,而其成本却远低于粉末锻造^[13]。近年来,粉末高速球磨还与模具润滑、复压复烧或温压等技术结合,其应用领域得到了进一步拓宽^[14]。总结了粉末冶金压制的原理和他的应用，以及粉末压制的数字模拟，还有致密化机理研究进展,指出了未来重点需要研究的方向^[15]。比对日、德等国热处理工业，在未来多年的发展路线图。以及我国表面处理路线图，以及我国设定好的相关发展目标。并结合现在粉末冶金技术的现状,为我国未来在粉末冶金领域内与其相关的制造技术，以及其工艺方法的发展指明了前进的方向。得出这样一个结论，即我国未来在粉末冶金领域的发展将朝着这样几个方向，即装备与产能的扩大化，控制手段的灵活化，设计研究的智能化，研制过程的绿色化，以及设备功能的集成化^[17]。MA是一种先进制取混合粉末方法^[18]。它将几种不同的金属粉末，按比例配置好，在球磨机中混合球磨。钢球挤压混合粉末，反复使其产生一定程度的塑性变形,原子级别尺度上的扩散，以及在固态状态下会产生反应而制得合金粉末^[19]。混合粉末表面还未产生反应的地方，接连地露出来。粉末的晶粒逐渐变细变小,反应时触碰的面积极大地增加。扩散距离得到缩小,大大地降低了扩散速率对反应限制的程度,进而提高在固态状态下的反应速率^[20]。除此之外,高速高能球磨时，发生的机械合金化是在外加作用下的非自发反应。从外界添入高能量的球磨作用时，粉末颗粒产生了大量的亚结构，例如缺陷，缺欠等。能够制得普通的方法难制取的合金。许多固体时溶解度较小的合金,通过MA均能形成固溶体^[21]。在上世纪下半叶,美国人率先用高能球磨法，制出弥散强化的合金。之后的很长时间，高速高能球磨方法得到了极大程度的进步。作为研究制取材料一种重要方法^[22],越来越受材料科学界重视。到目前为止,MA已经用于研制磁性和超导材料，纳米级晶体，以及各种状态下的非晶材料、比强高的材料、复合材料、饱和固溶体等^[23]。

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