脉冲电流作用下定向凝固Ti-48Al-2Cr-2Nb-(0.8Er)的组织和性能研究

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TiAl合金以其低密度,高比强度,高温抗蠕变及高温抗氧化性能好等优点,被认为是最有前景的金属间化合物材料。然而TiAl合金具有本征脆性大、室温塑性及韧性低,成形性差等缺点阻碍其进一步的发展。因此,探索TiAl合金的加工工艺成为了现今研究的一个热点。本文选定实验材料为Ti-48Al-2Cr-2Nb和Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er,利用水冷铜坩埚定向凝固装置,对TiAl基合金进行定向凝固实验,在凝固过程中加入不同电流密度与频率的脉冲电流,分析脉冲电流对于TiAl基合金组织和力学性能的影响。研究了脉冲电流作用下的Ti-48Al-2Cr-2Nb-(0.8Er)合金宏观组织,对合金定向区柱状晶连续性和晶粒与生长方向夹角进行分析。结果表明,对于Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,脉冲电流频率为100Hz,电流密度从0到84.9 mA/mm2时,随着脉冲电流密度的增大,稳定生长区柱状晶生长逐渐连续化,晶粒偏转角度先减小后增大,在电流密度为56.5mA/mm2时,达到最小的夹角。脉冲电流密度为56.5 mA/mm2,频率从0到100Hz时,随着脉冲频率的增大,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金柱状晶的连续性增强,晶粒偏转角度变小。对于Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er合金,当脉冲电流密度为56.5mA/mm2,频率从0到150Hz时,随着脉冲频率的增大,合金柱状晶的连续性变差,晶粒偏转角度变大。研究了脉冲电流作用下的Ti-48Al-2Cr-2Nb-(0.8Er)合金微观组织,对合金定向区柱状晶间距,片层间距以及片层角度进行分析。结果表明,对于Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,随电流密度的增加,稳定生长区的柱状晶宽度和片层间距均出现先减小,后增大的趋势,片层角度逐渐增大。随着脉冲频率的增加,柱状晶宽度和片层间距不断减小。对于Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er合金,随着脉冲电流频率的增大,稳定生长区柱状晶宽度和片层间距逐渐减小,得到细化。与Ti-48Al-2Cr-2Nb相比,脉冲电流作用下Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er的晶粒尺寸和片层间距并没有得到明显细化,片层角度减小。对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金和Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er合金分别做显微硬度、压缩试验和断裂试验。结果表明,随电流密度的增大,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的显微硬度,压缩强度以及断裂韧性均先增大,后减小,在电流密度为56.5 mA/mm2时取得最大值。随着脉冲电流频率的提高,Ti-48Al-2Cr-2Nb和Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er的显微硬度,压缩强度以及断裂韧性不断提高。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金中,当脉冲电流为56.5 mA/mm2,频率为100Hz时,取得最好的综合性能,显微硬度值为377.06,压缩强度为2093.25Mpa,压缩变形量为31.89%,断裂韧性为22.965 MPa?m1/2。与Ti-48Al-2Cr-2Nb相比,Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er的显微硬度和压缩强度得到了提高,断裂韧性有所降低。Er的加入使得TiAl基合金的压缩变形量减小。Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.8Er合金中,当脉冲电流为56.5 mA/mm2,频率为150Hz时,取得最好的综合性能,显微硬度值为397.85,压缩强度为2087.19Mpa,压缩变形量为36.95%,断裂韧性为22.090 MPa?m1/2。研究石墨套对于Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织的影响,发现加入石墨套之后实验的成功率变大,但定向组织的连续性变差,偏移角度变大,晶粒和片层都有所粗化,片层的偏移角度变小。加入石墨套之后材料显微硬度,压缩指标和断裂韧性均减小。
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