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TiAl基合金具有高的比强度、良好的高温强度和优异的抗蠕变性能,可满足航空航天领域对轻质耐热结构材料的需求。但其较低的室温塑性与韧性限制了其实际应用。众所周知利用材料的织构化,发挥材料的性能优势,是具有重要价值的研究课题,由于TiAl基合金具有很强的力学性能各向异性,通过片层组织取向化控制的方法,可以获得最佳的强度、塑性和韧性。然而应用定向凝固技术制备取向化片层组织TiAl基合金时,由于陶瓷坩埚与TiAl基合金熔体的化学反应,会导致合金中氧含量的增加,为此我们采用分瓣式水冷铜坩埚,建立了一种新型的冷坩埚电磁约束定向凝固技术,不但为制备含氧量低且片层组织取向化定向排列的TiAl基合金的制备奠定了技术基础,还对促进高强高韧TiAl基合金制备技术的发展具有重要的理论和实际意义。本文选用Ti-(43-48)Al-2Cr-2Nb合金,通过改变Al元素含量和定向凝固技术参数,系统地研究了Al成分和定向凝固抽拉速度对冷坩埚定向凝固TiAl基合金铸锭表面质量以及宏微观组织的影响,测试和阐明了定向凝固TiAl基合金的断裂韧性和裂纹扩展行为,分析了合金硬度、压缩性能以及拉伸性能与显微组织之间的对应关系。通过对冷坩埚定向凝固TiAl基合金铸锭表面质量的分析,发现抽拉速度是重要的影响因此,较大的抽拉速度会使定向凝固铸锭凝壳的增厚,同时凝壳的凝固收缩和重熔现象严重,会导致凝壳应力和变形等的不均匀分布,产生较多的表面缺陷,而降低抽拉速度会减小凝壳厚度的不均匀性,减缓应力的释放,可有效改善铸锭的表面质量。通过研究冷坩埚定向凝固Ti-(43-48)Al-2Cr-2Nb合金成分-抽拉速度-宏观组织之间的关系,发现采用较慢的抽拉速度能够得到柱状晶组织连续的定向凝固试样,而较快的抽拉速度不利于低Al含量的Ti-43Al-2Cr-2Nb和Ti-45Al-2Cr-2Nb合金柱状晶的连续性生长,严重时甚至会导致等轴晶化,主要由于较快的抽拉速度导致α相在β相上的大量形核,进而打断柱状晶组织连续的生长。而对于含Al较高的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,在较快的抽拉速度下是α相凝固,不会发生β/α固态相变,影响柱状晶组织连续性。定向凝固Ti-(43-48)Al-2Cr-2Nb合金的微观组织主要由α2/γ片层和少量B2相及块状γ相组成。Al含量和抽拉速度对微观组织的影响主要为:(1)随Al含量增加,α2相和B2相含量减少,相应的γ相增多,同时片层间距增大。(2)抽拉速度(V)和片间距()近似满足:=.(1-0.5的关系;B2相含量(1)2)与抽拉速度的倒数(1/V)存在指数递减的关系,即:1)2=Aexp?[-(1]。(3)改变凝固路径,进而影响片层方向。在0.2mm/min-1.5 mm/min的抽拉速度范围内,Ti-43Al-2Cr-2Nb和Ti-45Al-2Cr-2Nb两种合金由与生长方向成近0°和近45°的片层构成。而对于Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,随抽拉速度的提高,组织中近平行片层和近45°片层减少,90°片层增多,至1.2mm/min时,全部由垂直片层构成。室温拉伸试验表明,B2相是微裂纹的起源,还会降低片层相界对穿层裂纹的扩展阻力,因此,减少B2相含量,可同时提高定向凝固Ti-43Al-2Cr-2Nb和Ti-45Al-2Cr-2Nb合金的室温抗拉强度和延伸率;对于B2相含量较少的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,拉伸性能主要受片层取向的影响。因为在拉应力作用下,90°片层的抗裂纹扩展能力最差,裂纹的沿片层扩展几乎无阻力,因此,不含90°片层的试样,抗拉强度和塑性都很较高;随试样中90°片层的增多,抗拉强度和塑性同时减小;如果试样全部由近90°的片层构成,很容易在弹性变形阶段断裂失效。采用单边缺口三点弯曲试验(SENB)研究了T定向凝固Ti-(43-48)Al-2Cr-2Nb合金的断裂韧性,表明定向凝固合金的断裂韧性和裂纹扩展有明显的各向异性,当α2/γ片层界面与裂纹扩展方向平行时,断裂韧性最低且裂纹沿片层扩展,当α2/γ片层界面与裂纹扩展方向垂直时,断裂韧性最高,裂纹穿片层扩展,以界面分层和裂纹偏转为增韧机制。B2相对断裂韧性的影响主要取决于裂纹扩展方式,当裂纹沿片层扩展时,B2相有阻碍裂纹扩展的能力,起到增韧的作用,而当裂纹穿片层扩展时,大块脆性的B2相和片层基体结合较弱,使裂纹容易扩展,降低了断裂韧性。因此,减少B2可提高定向凝固Ti-43Al-2Cr-2Nb和Ti-45Al-2Cr-2Nb合金的断裂韧性;减少垂直片层可提高定向凝固Ti-43Al-2Cr-2Nb合金的断裂韧性。