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TiAl基合金由于具有高比强度、大比刚度和高温下的抗氧化性、抗蠕变性等优良特点,使其成为航空发动机叶片的潜在应用材料。然而叶片服役时要长期承受多种交变载荷的作用,使其对材料的强度与抗疲劳性能要求很高。为了使TiAl基合金满足这种服役要求,研究改善TiAl基合金组织,从而提升合金的力学性能尤其是抗疲劳性能具有重要的理论和工程意义。利用冷坩埚定向凝固技术制备了定向组织良好的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金方锭。主要研究了定向凝固时抽拉速度变化对其凝固组织的影响。实验结果表明:随着抽拉速度的提高,凝固组织的固/液界面下凹程度增大,柱状晶生长方向与轴向夹角增大,柱状晶的二次枝晶臂更加发达,而晶粒尺寸和片层间距逐渐减小。抽拉速度与片层间距满足下面关系式:。测试了定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的常规力学性能,表明定向凝固的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金比普通铸态的力学性能有了明显提高。定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的断裂韧性达到20.33MPa·m1/2,抗弯强度达到600MPa。室温的抗拉强度最高达到652MPa,高温800℃的抗拉强度最高达到490MPa,伸长率可以达到5%。断裂韧性与片层间距满足关系式。800℃的抗拉强度与片层间距满足关系式。对拉断试样的断口形貌分析表明,断裂方式由沿着片层面和穿越片层面的混合断裂组成,无论室温还是高温下其均表现为脆性断裂,但高温时局部微区会存在延性断裂。测试了定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的高周疲劳性能,试验条件为室温环境、应力比R=0.1。试验结果显示抽拉速度为1.0mm/min时,疲劳极限为300MPa,占极限抗拉强度的60%;抽拉速度为1.2mm/min时,疲劳极限为247MPa,占极限抗拉强度的45%。高周疲劳试验表明抽拉速度为1.0mm/min的试样比抽拉速度为1.2mm/min的试样疲劳抗性好。分别求出了两种抽拉速度下的S-N曲线方程,并且绘制出S-N曲线。定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金高周疲劳的断裂方式为脆性解理断裂。对高周疲劳断口进行分析,表明疲劳裂纹主要萌生在片层界面间或者B2相附近。疲劳裂纹的扩展方式在宏观上,表现为沿着片层平面和穿越片层面的方式扩展;在微观上,表现为沿河流花样的延伸方向扩展,或者沿疲劳条纹的法线方向扩展。本文根据塑性钝化理论解释了高周疲劳裂纹的扩展机制,并绘制出疲劳裂纹扩展的模型图。