本文選題：TiAl合金　切入點：定向凝固　出處：《西北工業(yè)大學》2015年博士論文

【摘要】：TiAl基金屬間化合物所具有的密度低、比強度和比彈性模量高、抗氧化性及高溫抗蠕變強等優(yōu)點,使其成為航空、航天、汽車等發(fā)動機耐熱結(jié)構(gòu)件的理想替代材料,但室溫塑性低和熱變形能力差等不足制約著其進一步應用。在TiAl合金的各種組織中,由籽晶法定向凝固技術(shù)制備的平行于生長方向的定向全片層組織,可以實現(xiàn)抗拉強度和延伸率之間較好的平衡,具有較好的應用前景。但是,TiAl合金熔體的活性很高,幾乎能夠與所有的陶瓷坩堝發(fā)生反應,使得利用Bridgman定向凝固技術(shù)很難生產(chǎn)出無污染、高性能的TiAl合金試樣。而目前廣泛采用的光懸浮區(qū)熔定向凝固設備,盡管能徹底避免坩堝材料對合金熔體的污染,但很難制備出較大尺寸的TiAl合金試樣。到目前為止,還沒有出現(xiàn)一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸、高性能TiAl合金定向全片層組織的無污染制備。本文的目的是將本課題組特有的“電磁約束定向凝固技術(shù)”和“TiAl合金籽晶法”結(jié)合起來,形成“Ti Al合金籽晶法電磁約束定向凝固技術(shù)”,通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和凝固條件,制備出無污染、大尺寸、片層組織平行于生長方向的TiAl合金試樣,并對其力學性能進行研究和討論。以此為基礎(chǔ),系統(tǒng)討論傳統(tǒng)籽晶法和準籽晶法的引晶原理,建模并分析兩種引晶過程中的溶質(zhì)再分配及其對定向全片層組織制備的影響。得出的結(jié)論如下:利用電磁約束定向凝固技術(shù)制備TiAl合金試樣,在將試樣加熱熔化并約束成形的同時,還需要確保凝固組織能夠定向、穩(wěn)定、連續(xù)的生長。在分析總結(jié)合金材料和試樣直徑、成形感應器形狀、屏蔽罩插入深度、熔區(qū)形狀和穩(wěn)定性以及固/液界面形狀等多種影響因素的基礎(chǔ)下,通過合理控制工藝參數(shù)和凝固條件,成功得到直徑分別為12.5和16~20 mm、片層組織生長良好的TiAl合金試樣。根據(jù)傳統(tǒng)籽晶法,采用Ti-43Al-3Si合金,經(jīng)冷坩堝熔煉并澆鑄,得到片層取向一致且平行于鑄錠軸向、同時具有較好熱穩(wěn)定性的傳統(tǒng)籽晶錠。在該籽晶的引晶作用下,當生長速率較低時,在不同直徑試樣中成功制備出平行于生長方向的Ti-47Al合金定向全片層組織。該組織的室溫拉伸強度、延伸率和斷裂韌性分別達到693 MPa、10.0%和34.7 MPa·m1/2,優(yōu)于國內(nèi)外報道的最高水平,充分說明利用電磁約束定向凝固技術(shù)可以制備出無污染、大尺寸、高性能的Ti Al合金定向凝固試樣。然而,隨著速率的增加,引晶過程中往往容易出現(xiàn)雜晶的形核和生長,從而導致引晶失敗,最終只能得到傾斜或垂直于生長方向的定向全片層組織,嚴重影響了材料的力學性能。首次提出準籽晶法引晶機理,并將其成功的用于制備TiAl合金定向全片層組織。通過合理控制澆注溫度和凝固條件,可使初生相為β的Ti-48Al-2Nb-2Cr和Ti-48Al-6Nb-1Cr合金以包晶α相凝固并形成穿晶組織,從而制備出片層取向一致且平行于鑄錠軸向的準籽晶錠。當加熱速率足夠快時,由于γ相的形核和生長受到很大程度的限制,使得這些片層組織具有較好的熱穩(wěn)定性。根據(jù)該特性,采用Ti-48Al-2Nb-2Cr和Ti-48Al-6Nb-1Cr合金準籽晶,利用快速加熱的方法,最終在一定的抽拉速率下分別制備出與準籽晶合金成分相同、片層取向平行于生長方向的TiAl合金定向全片層組織。充分說明通過準籽晶法定向凝固技術(shù),即使在準籽晶材料并不滿足傳統(tǒng)籽晶制備要求的情況下,也可以成功制備出理想的TiAl合金定向全片層組織。然而,隨著速率的增加,準籽晶法定向凝固過程中同樣容易出現(xiàn)雜晶的形核和生長,從而導致引晶失敗。通過數(shù)學建模,分別分析和探討了準籽晶法和傳統(tǒng)籽晶法定向凝固過程中的溶質(zhì)再分配,研究了兩種籽晶法定向凝固過程中的溶質(zhì)濃度分布及其變化情況,討論了在包晶α凝固界面前沿對于初生β相的成分過冷及其變化,從而在一定程度上分別對兩種籽晶法定向凝固過程中雜晶的形核和生長機理進行了預測。另外,通過綜合分析傳統(tǒng)籽晶法定向凝固過程中成分過冷和Si元素對界面穩(wěn)定性的影響,探討了在初始引晶階段固/液界面發(fā)生平-枝-胞轉(zhuǎn)變的機理。片層取向?qū)iAl合金定向全片層組織的力學性能有著重要的影響。當片層取向平行于加載方向時,由于裂紋在擴展過程中受到α2/γ片層邊界和α2層片的阻礙作用,試樣中出現(xiàn)較多的裂紋擴展機制以及增韌機制,如裂紋尖端鈍化、微裂紋形核和二次裂紋以及裂紋橋接等,很大程度上提升了材料的力學性能。然而,當片層組織傾斜或者垂直于加載方向時,試樣斷裂過程中裂紋擴展機制較小,導致其力學性能較差。
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【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.23
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本文編號：1658070