《Scripta Mater》:原位观察电磁辅助烧结过程合金的相演化规律

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金属间化合物γ-TiAl基合金因其优异的材料特性而被认为是汽车和航空工业中应用的理想材料。这些合金的特点是具有高抗蠕变性,密度低(约为4 g/cm3)。在低温条件下,具有面心立方的γ-TiAl相和密排六方α2-Ti3Al相在二元TiAl合金中是稳定的。α2相在共析温度下受热形成无序的六方α相。场辅助烧结包括多种不同的致密化技术,其区别在于潜在的热电现象。现阶段新兴技术是电磁场烧结和放电等离子烧结(SPS)。这两种情况下,材料通过焦耳效应加热,在第一种情况下,金属粉末中的相关电流是感应产生的,后一种情况下直接应用。基于固态工艺场烧结技术的一个主要优势是可以直接调整微观结构。辅助烧结技术可以实现高升温速率并缩短加工时间,相变动力学对析出相有重大影响,但是电磁辅助烧结对相变的影响尚不明确。

奥地利莱奥本矿业大学的研究人员首次探讨了在电磁辅助烧结过程中γ-TiAl基合金的相变,分析了相位演化并对比了电磁辅助烧结技术和SPS技术之间的异同。相关论文以题为“In-situ observation of the phase evolution during an electromagnetic-assisted sintering experiment of an intermetallic γ-TiAl based alloy”发表在Scripta Materialia。

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《Scripta Mater》:原位观察电磁辅助烧结过程合金的相演化规律

本研究中γ-TiAl基合金成分为:Ti-46.3Al-2.2W-0.2B(at.%)。在高纯氩气氛围下通过感应加热进行烧结,烧结工艺为1325℃×3min,以100℃/min的冷却速率下降至700℃。研究发现室温下α相含量较高,γ相含量较低,这是粉末雾化过程中冷却速率较高的结果,导致物质状态偏离热力学平衡;但是温度超过700℃时,α数量急剧减少,γ的数量由于高驱动力而增加,非平衡相变相热力学平衡状态转变;在920℃时,亚稳α有序转变为热力学稳定的α2相;在1165℃时,合金的γ相开始溶解,无序α相体积分数明显增加;温度达到1325℃时,γ相已经完全溶解。温度下降到γ溶解温度以下,大量γ相形成,进一步冷却使α在1120℃左右有序地转变为α2。

《Scripta Mater》:原位观察电磁辅助烧结过程合金的相演化规律

图1 衍射实验装置示意图

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图2 合金XRD结果以及相分数演化

《Scripta Mater》:原位观察电磁辅助烧结过程合金的相演化规律

图3 不同制备方法下的显微组织图

为了将电磁辅助烧结与实际SPS工艺进行对比,相同合金在1325℃下SPS制备的材料微观组织对比显示了相同的显微结构特征,唯一的区别是,在SPS的情况下,由于施加压力而没有孔隙,这表明在电磁辅助烧结中可以获得相同的相分布组织。因此,本文产生的非平衡和平衡相动力学和演变分析可以应用到SPS技术。本研究是首次对粉末烧结过程中的非平衡相变和平衡相变进行分析,本文结果有助于对TiAl合金相变的研究。(文:破风)

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