本文選題：TiAl合金　切入點(diǎn)：定向凝固　出處：《西北工業(yè)大學(xué)》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(qiáng)度和比彈性模量高、抗氧化性及高溫抗蠕變強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),使其成為航空、航天、汽車等發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步應(yīng)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(zhǎng)方向的定向全片層組織,可以實(shí)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度和延伸率之間較好的平衡,具有較好的應(yīng)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(yīng),使得利用Bridgman定向凝固技術(shù)很難生產(chǎn)出無(wú)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(shè)備,盡管能徹底避免坩堝材料對(duì)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(méi)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(wú)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(lái),形成“Ti Al合金籽晶法電磁約束定向凝固技術(shù)”,通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和凝固條件,制備出無(wú)污染、大尺寸、片層組織平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金試樣,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)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(zhǔn)籽晶法的引晶原理,建模并分析兩種引晶過(guò)程中的溶質(zhì)再分配及其對(duì)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(shí),還需要確保凝固組織能夠定向、穩(wěn)定、連續(xù)的生長(zhǎng)。在分析總結(jié)合金材料和試樣直徑、成形感應(yīng)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(guò)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(zhǎng)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(shí)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(dāng)生長(zhǎng)速率較低時(shí),在不同直徑試樣中成功制備出平行于生長(zhǎng)方向的Ti-47Al合金定向全片層組織。該組織的室溫拉伸強(qiáng)度、延伸率和斷裂韌性分別達(dá)到693 MPa、10.0%和34.7 MPa·m1/2,優(yōu)于國(guó)內(nèi)外報(bào)道的最高水平,充分說(shuō)明利用電磁約束定向凝固技術(shù)可以制備出無(wú)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(guò)程中往往容易出現(xiàn)雜晶的形核和生長(zhǎng),從而導(dǎo)致引晶失敗,最終只能得到傾斜或垂直于生長(zhǎng)方向的定向全片層組織,嚴(yán)重影響了材料的力學(xué)性能。首次提出準(zhǔn)籽晶法引晶機(jī)理,并將其成功的用于制備TiAl合金定向全片層組織。通過(guò)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(zhǔn)籽晶錠。當(dāng)加熱速率足夠快時(shí),由于γ相的形核和生長(zhǎng)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(zhǔn)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(zhǔn)籽晶合金成分相同、片層取向平行于生長(zhǎng)方向的TiAl合金定向全片層組織。充分說(shuō)明通過(guò)準(zhǔn)籽晶法定向凝固技術(shù),即使在準(zhǔn)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(zhǔn)籽晶法定向凝固過(guò)程中同樣容易出現(xiàn)雜晶的形核和生長(zhǎng),從而導(dǎo)致引晶失敗。通過(guò)數(shù)學(xué)建模,分別分析和探討了準(zhǔn)籽晶法和傳統(tǒng)籽晶法定向凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配,研究了兩種籽晶法定向凝固過(guò)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(duì)于初生β相的成分過(guò)冷及其變化,從而在一定程度上分別對(duì)兩種籽晶法定向凝固過(guò)程中雜晶的形核和生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了預(yù)測(cè)。另外,通過(guò)綜合分析傳統(tǒng)籽晶法定向凝固過(guò)程中成分過(guò)冷和Si元素對(duì)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(jī)理。片層取向?qū)iAl合金定向全片層組織的力學(xué)性能有著重要的影響。當(dāng)片層取向平行于加載方向時(shí),由于裂紋在擴(kuò)展過(guò)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(kuò)展機(jī)制以及增韌機(jī)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(xué)性能。然而,當(dāng)片層組織傾斜或者垂直于加載方向時(shí),試樣斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展機(jī)制較小,導(dǎo)致其力學(xué)性能較差。
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【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG146.23
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本文編號(hào)：1658070