本文選題：高Nb-TiAl合金 + 成分優(yōu)化��； 參考：《北京科技大學》2016年博士論文

【摘要】：同Nb-TiAl合金使用溫度比普通TiAl合金高60-100℃、強度高約300-500MPa,并且具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能,成為TiAl合金發(fā)展的方向。高Nb-TiAl合金的不足是其室溫塑性低,導致制備加工困難,限制了其工業(yè)化應用進程。熔模精密鑄造法具有近終成型性,可以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復雜、表面質(zhì)量優(yōu)異的鑄件,是制備高Nb-TiAl合金部件的重要途徑。本論文主要通過合金化的方法設計適合鑄造用的性能均衡的高Nb-TiAl合金,研究合金元素對高Nb-TiAl合金組織、力學性能、鑄造性能的影響。并通過數(shù)值模擬與實際試驗相結(jié)合的方法,制備出質(zhì)量優(yōu)異的低壓渦輪葉片鑄件。主要結(jié)論和成果如下：(1)合金元素對高Nb-TiAl合金組織及力學性能的影響研究結(jié)果表明,少量B(0.2%)的加入可以有效細化Ti-45Al-8Nb(除特殊標注外,全為原子分數(shù))合金組織。Ti-45Al-8Nb-0.4B合金具有最佳的室溫力學性能。0.5%Cr的添加會提高Ti-45Al-8Nb-0.4B合金的室溫力學性能。因為Cr的加入有利于降低合金層錯能,增加合金變形孿晶,從而起到提高合金室溫力學性能的作用。但是當加入2%Cr時,合金力學性能降低。因為β相穩(wěn)定元素Cr的加入會使合金鑄態(tài)組織中脆性B2相的體積分數(shù)增加,使合金力學性能惡化。β相穩(wěn)定元素Mn在高Nb-TiAl合金中的隨機占位,會使得其它β相穩(wěn)定元素(Nb或Cr)在B2相中分布增加,導致B2相體積分數(shù)顯著增加,對合金力學性能起到不利影響。Si的加入會使Ti-45Al-8Nb-0.4B合金片層團內(nèi)部及晶界處析出大量硅化物,對合金力學性能起到不利影響。Ni加入后,合金中B2相含量顯著增加,導致合金室溫力學性能明顯下降。Y的加入會使得片層晶界處析出大量白色點狀釔化物顆粒,導致晶界脆化,對合金室溫力學性能不利。(2)高Nb-TiAl合金加入Si合金化后,組織中析出的硅化物為具有D88結(jié)構(gòu)的Nb5Si3(ε):相,而不是普通TiAl合金中的Ti5Si3相。ε相的形成有利于合金組織中β(B2)相偏析的減少,因為ε相析出會導致基體中β(B2)相穩(wěn)定元素Nb含量降低,使β(B2)相區(qū)減小。β(B2)相偏析減弱,有利于提高合金鑄態(tài)室溫拉伸力學性能。但是,當含Si高Nb-TiAl合金經(jīng)1000℃以上熱處理后,ε相的大量析出會導致合金室溫拉伸力學性能惡化。因為ε相與γ相界面為半共格界面,會導致界面位錯產(chǎn)生。ε相會導致裂紋沿片層產(chǎn)生與增殖,而且應力會導致硅化物進一步析出,進一步加速裂紋的產(chǎn)生與擴展。γ相穩(wěn)定元素Si的加入會導致退火處理或循環(huán)熱處理組織內(nèi)部ε相附近形成γ相,導致片層粗化或溶解。(3)對高Nb-TiAl合金充型性能研究表明,降低合金液相線溫度、減小合金固液相線溫度區(qū)間、降低合金粘度、提高合金抗界面反應能力等因素有利于提高合金的充型性能。對Ti-45Al-8Nb合金充型性能有利的元素為(0.5%)Si、Y、Cr、B、Ni;無明顯影響的為W、Mn、Co;而有害的為Mo或V。最終,綜合考慮合金力學性能與鑄造性能,優(yōu)化的鑄造合金成分為Ti-45Al-8Nb-(0.5-0.7)Cr-0.5Si-0.4B。Cr的加入可以有利于降低合金層錯能,增加合金變形孿晶,從而起到提高合金室溫力學性能的作用；Si的加入可以提高合金充型性能,減少合金β(B2)相偏析；B的加入有利于細化組織,提高合金綜合力學性能。(4)應用有限元鑄造模擬軟件Procast模擬熔模鑄造工藝過程,優(yōu)化工藝參數(shù)結(jié)果表明,最優(yōu)的重力鑄造工藝參數(shù)為澆注溫度1650℃、澆注速度1 m/s、模殼預熱溫度400℃。最優(yōu)的離心轉(zhuǎn)速為500r/min。利用模擬得到的最佳工藝參數(shù)進行實際澆注實驗,成功得到渦輪葉片鑄件。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,模擬對實際鑄造過程具有很好的指導作用。離心鑄造葉片表面及內(nèi)部質(zhì)量均優(yōu)于重力鑄造葉片。重力鑄造葉片表面有澆不足現(xiàn)象,而離心鑄造葉片表面質(zhì)量良好。重力鑄造葉片縮孔縮松缺陷較多且分散,離心鑄造葉片縮孔縮松較少。重力鑄造葉片表面裂紋較多,離心鑄造葉片裂紋較少。(5)優(yōu)化出的Ti-45Al-8Nb-0.7Cr-0.5Si-0.4B合金形成的整個葉片組織比較均勻細小,組織為近片層組織。重力鑄造片層團尺寸約70μm,葉片邊緣與葉片中心位置組織沒有明顯變化,均是β凝固的近片層組織。由于離心鑄造葉片冷卻速度較大,葉片片層團尺寸較小約為50μm,而且B2相數(shù)量較少,表明該鑄造合金可能具有優(yōu)異的綜合力學性能。
[Abstract]:The use temperature of the same Nb-TiAl alloy is 60-100 C higher than that of ordinary TiAl alloy, the strength is high about 300-500MPa, and it has excellent oxidation resistance at high temperature. It has become the direction of the development of TiAl alloy. The deficiency of high Nb-TiAl alloy is the low plasticity of the alloy at room temperature, which leads to the difficult preparation process and restricts its industrial application process. The precision casting method of the melt mold has the near final end. It is an important way for the preparation of high Nb-TiAl alloy parts. This paper mainly deals with the design of high performance Nb-TiAl alloys suitable for casting, and studies the influence of alloy elements on the high Nb-TiAl alloy fabric, mechanical properties and casting properties by alloying. The main conclusions and results are as follows: (1) the effect of alloy elements on the microstructure and mechanical properties of high Nb-TiAl alloy shows that a small amount of B (0.2%) can effectively refine the Ti-45Al-8Nb (except for the special annotation, all atom fraction) alloy. The addition of.Ti-45Al-8Nb-0.4B alloy with the best mechanical properties at room temperature.0.5%Cr will increase the mechanical properties of Ti-45Al-8Nb-0.4B alloy at room temperature. Because the addition of Cr is beneficial to reducing the dislocation energy of the alloy layer and increasing the deformation twinning of the alloy, thus improving the mechanical properties of the alloy at room temperature. But when 2%Cr is added, the mechanical properties of the alloy have been added to the alloy. The addition of the beta phase stable element Cr increases the volume fraction of the brittle B2 phase in the alloy cast microstructure and worsens the mechanical properties of the alloy. The random occupying of the beta phase stable element Mn in the high Nb-TiAl alloy will increase the distribution of the other beta stable elements (Nb or Cr) in the B2 phase, resulting in a significant increase in the volume fraction of the B2 phase and the force of the alloy force. The addition of.Si can precipitate a large number of silicides in the inner and grain boundaries of the Ti-45Al-8Nb-0.4B alloy lamellar mass. The mechanical properties of the alloy have adverse effects on the mechanical properties of the alloy. The content of the B2 phase in the alloy increases significantly after the addition of.Ni, resulting in a significant decrease in the mechanical properties of the alloy at room temperature and the addition of.Y will precipitate a large number of white points at the grain boundary. Yttrium particles can cause the grain boundary embrittlement and disadvantageous to the mechanical properties of the alloy at room temperature. (2) after adding Si alloy to high Nb-TiAl alloy, the precipitated silicides in the tissues are Nb5Si3 (E) with D88 structure, but not the Ti5Si3 phase in the ordinary TiAl alloy. The formation of the phase is favorable for the decrease of the segregation of beta (B2) phase in the alloy structure, because the phase of the epsilon phase precipitates. The B2 phase stable element Nb content is reduced and the phase region of the beta (B2) phase decreases. The segregation of beta (B2) phase decreases, which is beneficial to the increase of tensile mechanical properties at room temperature at room temperature. However, when the Si high Nb-TiAl alloy is heat-treated over 1000 C, a large amount of precipitation of the epsilon phase will lead to the deterioration of tensile mechanical properties at room temperature. The semi common interface leads to the formation of interface dislocation. The epsilon phase leads to the formation and proliferation of cracks along the lamellar, and the stress causes further precipitation of silicides, which further accelerates the formation and expansion of the cracks. The addition of gamma phase stable element Si leads to the formation of gamma phase in the annealing treatment or in the inner epsilon phase of the heat treatment group, leading to the coarsening of the layers. (3) the study of the filling properties of high Nb-TiAl alloy shows that reducing the temperature of the liquid phase line, reducing the temperature range of the alloy solid liquid phase, reducing the viscosity of the alloy and improving the interfacial reaction ability of the alloy are beneficial to improve the filling properties of the alloy. The favorable elements for the filling properties of Ti-45Al-8Nb alloys are (0.5%) Si, Y, Cr, B, Ni. The effects are W, Mn, and Co; while harmful to Mo or V., considering the mechanical properties and casting properties of the alloy, the addition of the optimized casting alloy composition to Ti-45Al-8Nb- (0.5-0.7) Cr-0.5Si-0.4B.Cr can help to reduce the dislocation energy of the alloy layer and increase the deformation twinning of the alloy to improve the mechanical properties of the alloy at room temperature; the addition of Si It can improve the filling properties of the alloy and reduce the segregation of alloy beta (B2) phase. The addition of B is beneficial to refining the microstructure and improving the comprehensive mechanical properties of the alloy. (4) the simulation software Procast of the finite element casting simulation software is used to simulate the casting process. The optimum parameters of the process parameters show that the optimum casting process parameters are 1650 centigrade, and the casting speed is 1. M/s, the preheating temperature of the mold shell is 400. The optimum centrifugal speed is 500r/min. using the best process parameters obtained by simulation. The turbine blade casting is successfully obtained. The simulation results are in good agreement with the experimental results. The simulation has good guidance for the actual casting process. The surface and internal quality of the centrifugal casting blade are excellent. In gravity casting, the surface of the blade surface of gravity casting is inadequate, while the surface quality of the centrifugal casting blade is good. The shrinkage and shrinkage defects of the gravitational casting blade are more and dispersed, and the shrinkage and shrinkage of the centrifugal casting blade are less. There are more cracks on the surface of the centrifugal casting blade, and the cracks in the centrifugal casting blade are less. (5) the optimized Ti-45Al-8Nb-0.7Cr-0.5S The whole blade tissue formed by i-0.4B alloy is more uniform and finer, and the tissue is near lamellar tissue. The size of the gravity casting lamella is about 70 mu m, and there is no obvious change in the position of the blade edge and the central position of the blade. The smaller number of 2 phases indicates that the casting alloy may have excellent comprehensive mechanical properties.
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG27;TG146.23

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本文編號：2026464