【摘要】：TiAl-Nb合金因其低密度、優(yōu)越的高溫力學(xué)性能和良好的抗氧化性能,有望取代鎳基高溫合金,成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用候選材料,然而低的室溫塑性和加工困難限制了其工程應(yīng)用。通過定向凝固技術(shù)控制TiAl合金的片層方向,顯著提高其室溫塑性和抗蠕變性能等室溫高溫綜合力學(xué)性能,成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本研究通過Bridgman定向凝固實(shí)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)熱力學(xué)模擬計(jì)算,針對籽晶法控制片層組織方向研究的不足,提出定向凝固過程中利用包晶轉(zhuǎn)變控制β先凝固TiAl-Nb合金片層組織方向的學(xué)術(shù)思路。分析了定向凝固啟動(dòng)前低溫端的樣品特征及對隨后定向生長的影響,同時(shí)也對高溫端包晶相變過程中的晶體生長、相變過程調(diào)控及包晶轉(zhuǎn)變完成程度等方面進(jìn)行了深入探討。獲得了樣品歷史、合金成分和定向凝固過程參數(shù)(溫度梯度G、抽拉速度V)對初生相晶體取向、包晶相變過程和包晶轉(zhuǎn)變完成程度的影響規(guī)律,為調(diào)整TiAl合金定向凝固路徑,控制β先凝固TiAl-Nb合金室溫片層組織方向的工藝方法提供理論依據(jù)。同時(shí)本研究還對不同凝固模式定向凝固合金的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。主要得出以下結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)：(1)熱穩(wěn)定處理過程中溶質(zhì)Al逐漸向完全液相區(qū)遷移,使得糊狀區(qū)內(nèi)Al的溶度總低于鑄態(tài)合金的原始溶度,同時(shí)獲得重新分布。而完全液相區(qū)的平均溶質(zhì)濃度略高于鑄態(tài)合金的原始溶度；熱穩(wěn)定處理使得糊狀區(qū)長度逐漸變短且內(nèi)部固相晶粒逐漸粗化,最終會(huì)呈現(xiàn)全固相形貌且晶粒朝著有利的結(jié)晶學(xué)方向生長；適當(dāng)時(shí)間的熱穩(wěn)定處理在糊狀區(qū)形成的L+β+α三相區(qū)有利于控制定向凝固包晶TiAl合金的片層結(jié)構(gòu),較長的熱穩(wěn)定處理時(shí)間會(huì)導(dǎo)致凝固生長過程中β枝晶生長方向趨于和拉拔方向一致,β枝晶間距趨于增大而枝晶間偏析趨于減輕。(2)單次定向凝固和二次定向凝固工藝條件下,枝晶形貌由等軸晶變?yōu)橹鶢罹?初始生長界面附近三個(gè)區(qū)域的微觀組織基本保持一致,均呈定向的枝晶偏析形貌。初始生長界面附近三個(gè)區(qū)域的晶粒沿定向生長方向均存在著不同程度的取向優(yōu)化。同單次定向凝固相比,二次定向凝固工藝條件下,初始糊狀區(qū)的長度明顯減小,糊狀區(qū)內(nèi)β枝晶的形貌和取向特征有利于定向凝固晶粒取向的控制同定向生長方向平行的枝晶形貌和擇優(yōu)的β枝晶取向在β籽晶化的過程中起主導(dǎo)因素。(3)熱力學(xué)模擬結(jié)果表明,對于TiAl二元合金,發(fā)生完全包晶轉(zhuǎn)變的成分為46.5%Al(除特殊標(biāo)注外,全為原子分?jǐn)?shù))。對于含Nb的三元合金,完全包晶轉(zhuǎn)變的成分區(qū)間隨著Nb的增加,逐漸向高Al方向移動(dòng),當(dāng)Nb增加到8%時(shí),若Al溶質(zhì)的含量在49%左右仍然能夠發(fā)生完全包晶轉(zhuǎn)變。在完全包晶轉(zhuǎn)變成分的兩側(cè)包晶反應(yīng)程度呈對稱分布。Al含量在47～49%,Nb含量在5-8%時(shí)合金△Tp范圍最大。同理論模擬相比,實(shí)驗(yàn)觀察到完全包晶轉(zhuǎn)變的成分區(qū)間向低Al方向偏移,偏移的范圍約為1.5～2.0%Al。同時(shí)成分帶隨著Nb含量的升高而逐漸變寬。(4)當(dāng)溫度梯度G與成分CAl一定時(shí),隨著V值增大,λ1、 λ2、 R、 d值均呈減小趨勢。當(dāng)溫度梯度G與抽拉速度V一定時(shí),隨著溶質(zhì)Al含量的升高,λ1、λ2、R值均呈遞減趨勢,而d值呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢；本研究所得到的λ1的生長速率指數(shù)為0.29,和大部分研究結(jié)果吻合。λ2的生長速率指數(shù)為0.26,和大部分研究結(jié)果接近。TiAl合金系中R和d的生長速率指數(shù)比其它合金體系的要��；實(shí)驗(yàn)測量獲得的λ1值分別和通過Hunt模型、Kurz-Fisher模型、Trivedi模型、Bouchard-Kirkaldy模型和Hunt-Lu模型計(jì)算獲得的λ1值進(jìn)行了比較,除了實(shí)驗(yàn)測量獲得的λ1值遠(yuǎn)高于通過Hunt-Lu模型計(jì)算獲得的結(jié)果外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本和其它理論模型計(jì)算的結(jié)果一致。通過Trivedi-Somboonsuk模型計(jì)算獲得的λ2值與實(shí)驗(yàn)測量獲得的λ2值比較接近。對于所有的實(shí)驗(yàn)成分,實(shí)驗(yàn)測量獲得的R值略高于通過Kurz-Fisher模型計(jì)算的結(jié)果,而通過Hunt模型和1rivedi模型計(jì)算獲得的R值均遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所得λ2/R的平均值為1.44,低于理論值λ2/R=2。(5)對于不同的凝固模式(單-β凝固模式B,亞包晶凝固模式BA, 過包晶凝固模式BAA和單-α凝固模式A),晶粒尺寸、形態(tài),片層取向、微觀偏析的程度及分布均出現(xiàn)較大差異。B凝固模式合金不會(huì)造成強(qiáng)的化學(xué)成分不均勻性,而包晶凝固模式會(huì)造成很強(qiáng)的化學(xué)不均勻性。對于BA模式,在枝晶間會(huì)有L→α相變出現(xiàn),對于BAA模式,在枝晶間會(huì)有L→α和L→γ相變同時(shí)出現(xiàn)。隨著Nb含量從2%增加到8%,片層團(tuán)簇的尺寸減小了1/3,初生枝晶的尺寸也呈遞減趨勢,同時(shí)β偏析和晶間Al偏析的含量逐漸增加；包晶成分的合金傾向于生長柱狀晶粒,因此BA模式和BAA模式的合金成分適應(yīng)于定向凝固工藝。進(jìn)一步對這兩種凝固模式對片層取向可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn),BA模式中Al含量較高的合金可作為定向凝固控制片層取向最理性的合金成分。受成分偏析的影響,從BA模式到BAA模式,片層團(tuán)界從分布于初生β枝晶內(nèi)部向分布于β枝晶間轉(zhuǎn)移。BA模式中Al含量較低的合金片層團(tuán)間距的不斷改變和發(fā)生的微小傾斜造成了片層的“彎曲”現(xiàn)象。這種“彎曲”現(xiàn)象會(huì)隨著Al含量的升高而消失。(6)對于壓縮性能,縱向的屈服強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度整體高于橫向的相應(yīng)值,而最大壓縮應(yīng)變在兩個(gè)方向上的變化相差不大。隨著Al含量的升高,屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后遞增的規(guī)律,這和壓縮強(qiáng)度、最大壓縮應(yīng)變隨Al含量的變化規(guī)律相反；包晶凝固模式的合金試樣在定向凝固工藝之后,其壓縮性能,室溫、高溫拉伸性能和斷裂韌性均高于其它凝固模式的合金。包晶凝固模式,尤其是亞包晶合金有利于控制定向凝固片層取向,并具有較高的強(qiáng)度。
[Abstract]:In this paper , the influence of solidification process parameters ( temperature gradient G , drawing velocity V ) on the microstructure of TiAl - Nb alloy sheet is studied . The results are as follows : ( 1 ) The temperature gradient and creep resistance of TiAl - Nb alloy are controlled by directional solidification technology .
the thermal stabilization treatment makes the length of the paste region be gradually shortened and the internal solid phase grains are gradually roughened , finally the whole solid phase morphology is presented and the grains grow in the favorable crystallization direction ;
( 2 ) Under the condition of single directional solidification and secondary directional solidification , the morphology and orientation characteristics of 尾 dendrite in the paste area tend to be reduced . ( 3 ) The morphology and orientation of 尾 dendrite in the paste area are favorable to the orientation of directional solidification grain . ( 4 ) When the temperature gradient G and the component CAl are constant , the content of Al solute is about 1.5 锝，

本文編號(hào)：2129953