本文選題：TiAl合金　切入點(diǎn)：定向凝固　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：TiAl基合金是一種極具應(yīng)用前景的中高溫結(jié)構(gòu)材料,對于含片層TiAl基合金,通過定向凝固技術(shù)控制其微觀組織可提高其綜合力學(xué)性能。本文主要采用Bridgman定向凝固技術(shù),控制具有不同凝固路徑的TiAl基合金的微觀組織。首先研究了不同凝固路徑的TiAl合金在定向凝固準(zhǔn)備階段糊狀區(qū)內(nèi)的微觀組織演變,而后通過常規(guī)定向凝固技術(shù)對TiAl合金定向凝固,重點(diǎn)研究了起始界面處糊狀區(qū)對微觀組織的影響,最后采用籽晶法消除了糊狀區(qū)對微觀組織的影響,以達(dá)到定向凝固合金的微觀組織控制。在α型凝固Ti-43Al-3Si合金中含有先析出Ti5Si3相、共晶Ti5Si3相和α2+γ片層組織,在一定溫度梯度下,對該合金進(jìn)行熱穩(wěn)定化處理后,該合金的糊狀區(qū)由液相、α晶粒和Ti5Si3相組成。隨著熱穩(wěn)定時(shí)間的延長,溫度梯度區(qū)熔效應(yīng)(TGZM)發(fā)生,糊狀區(qū)逐漸變短,糊狀區(qū)內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)逐漸減少,Ti5Si3相不斷長大。對于β包晶凝固型Ti-47Al-1.0W-0.5Si合金,鑄態(tài)合金主要有片層組織和Ti5Si3相及少量B2相組成。其糊狀區(qū)由液相和β晶粒組成,同時(shí)伴隨包晶反應(yīng)L+β→α的發(fā)生,隨著熱穩(wěn)定化處理時(shí)間延長,糊狀區(qū)內(nèi)液相逐漸減少,包晶轉(zhuǎn)變逐漸被限制。β單相凝固型Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.0W-0.5Si合金主要含有γ/α2片層組織、晶界處的γ/B2相及晶內(nèi)的B2相。隨著熱穩(wěn)定化處理時(shí)間的增加,固/液界面趨于平整,內(nèi)部液滴數(shù)量減少,固/液界面前方溶質(zhì)元素分布逐漸趨于穩(wěn)定,聚集的硅化物逐漸減少。在定向凝固過程中Ti-47Al(W,Si)合金的領(lǐng)先相為α相,主要原因是凝固過程中的溶質(zhì)偏析、成分過冷以及Y2O3陶瓷模殼對合金熔體的污染等因素造成的。對于Ti-47Al-1.0W-0.5Si合金,穩(wěn)態(tài)生長時(shí)合金的凝固路徑為:L→L+α→Ti5Si3+α+γ→Ti5Si3+(α2+γ)。由于W元素的添加,在合金中形成了S-型偏析,隨著生長速率的逐漸增加,S-型偏析逐漸加劇。定向凝固Ti-47Al-1.0W-0.5Si合金一次枝晶間距、片層間距與生長速率之間滿足關(guān)系λ=731.6·V-0.356、λs=29.56·V-0.76。定向凝固過程中,領(lǐng)先相的生長取向隨生長速率的增加發(fā)生改變,當(dāng)生長速度范圍在5μm/s≤V≤20μm/s之間時(shí),可控制具有非擇優(yōu)晶向的晶粒的連續(xù)生長,獲得與生長方向接近平行的片層組織。研究發(fā)現(xiàn),在定向凝固過程前期的熔體準(zhǔn)備過程中,糊狀區(qū)內(nèi)的微觀組織演化對定向凝固起始界面處的微觀組織的形成有較大的影響,也造成了定向凝固微觀組織的不穩(wěn)定性。為了減弱消除起始糊狀區(qū)內(nèi)微觀組織的影響,以及改進(jìn)現(xiàn)存籽晶法的不足,本文提出了一種采用高熔點(diǎn)純金屬(Ti、Nb)做籽晶基底材料對領(lǐng)先相為α相的Ti-47Al(W,Si)合金進(jìn)行定向凝固的方法。高熔點(diǎn)純金屬做籽晶基底材料時(shí),在定向凝固時(shí)處于未熔狀態(tài),起始定向凝固熔體直接以其為基底形核生長,消除了糊狀區(qū)的影響。同時(shí),Ti、Nb元素作為β相穩(wěn)定元素,有利于在定向凝固的起始階段β相先析出,成為領(lǐng)先相,從而起到片層取向控制的作用。β單相凝固Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.0W-0.5Si合金定向凝固后,得到沿生長方向平行分布的條狀B2/γ相,片層取向也控制在與生長方向的夾角為45°范圍內(nèi)。隨生長速率的增加,條狀B2/γ相變細(xì),間距逐漸減小,連續(xù)性增強(qiáng),片層間距也逐漸減小。采用高熔點(diǎn)純Ti和Nb作為基底籽晶材料定向凝固時(shí),所定向凝固微觀組織與常規(guī)定向凝固微觀組織相似,但高熔點(diǎn)基底籽晶材料定向凝固消除了起始階段未熔鑄態(tài)區(qū)微觀組織的影響,所獲得片層取向與生長方向的夾角可控制在更小范圍內(nèi)。對鑄態(tài)Ti-47Al-1.0W-0.5Si合金中片層取向與應(yīng)力方向呈垂直(TD)、平行(LD)以及定向凝固(DS)合金進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,屈服強(qiáng)度逐漸增加:TDLDDS,壓縮應(yīng)變逐漸有所降低:TDLDDS。定向凝固之后,合金室溫及高溫屈服強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度都有所增加,主要?dú)w因于片層取向的控制。定向凝固Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.0W-0.5Si合金中,B2/γ組合相納米硬度值在7.5~8.5GPa之間,片層組織(α2+γ)在5~7.5GPa之間,隨著生長速率的增加,納米硬度值略微升高,室溫強(qiáng)度有所增加,壓縮應(yīng)變有降低的趨勢。相比于鑄態(tài)合金,定向凝固Ti-44Al-5Nb-1.5Cr-1.0W-0.5Si合金發(fā)生完全再結(jié)晶需要更高的變形溫度和較低的應(yīng)變速率,定向凝固態(tài)合金具有更強(qiáng)的抗高溫變形能力。
[Abstract]:Ti - 47Al - 1.0W - 0.5Cr - 1.0W - 0.5Si alloy is mainly composed of liquid phase , 偽 - grain and Ti5Si3 . In order to weaken the influence of microstructure in the initial paste area and to improve the shortage of existing seed crystal method , the directional solidification of Ti - 47Al - 5Nb - 1.5Cr - 1.0W - 0.5Si alloy with high melting point has been carried out . The results show that the orientation of Ti - 44Al - 5Nb - 1.5Cr - 1.0W - 0.5Si alloy can be controlled in a smaller range . The results show that the alloy of Ti - 44Al - 5Nb - 1.5Cr - 1.0W - 0.5Si is directionally solidified .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG292;TG146.23

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本文編號：1699147