定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的领先相选择及其取向变化规律

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TiAl基合金具有良好的高温性能,抗氧化性和较低的密度,是航空航天领域中一种极有发展前景的高温结构材料。其中成分范围为Ti-(46~48)Al-2Cr-2Nb(原子百分比,下同)的系列合金因良好的强度和塑性而有广泛的应用。本文选择有工程应用背景的Ti-46Al-2Cr-2Nb合金,利用Bridgman工艺在不同凝固条件下(生长速度v=5μm/s~120μm/s,温度梯度G=6K/mm~26K/mm,试样直径φ=3mm~10mm和生长距离z=5mm~30mm)进行了定向凝固实验,研究了凝固条件对领先相类型,形貌及其生长方向的影响规律和机理。实验结果表明,当温度梯度较低或较高时(G=6K/mm和26K/mm),定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的领先相分别为β和α相,不随生长速度发生转变。G=18K/mm时,领先相随v增加由β相转变为α相,临界转变速度vtr满足5μm/s<vtr<10μm/s。随着试样直径的增加到φ=6mm和φ=10mm,vtr的范围相应增加至10μm/s <vtr<20μm/s和40μm/s <vtr<50μm/s。在相同生长速度下,随着温度梯度和生长距离的增加,领先相由β相转变为α相。领先相转变的临界转变距离ztr随温度梯度和生长速度的增加而减小。凝固条件的改变也会对定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金领先相的形貌产生影响:随着生长速度和温度梯度的增加,试样的一次枝晶间距(λ1)和二次枝晶间距(λ2)均在减小;λ1-v关系受领先相类型的影响不大,但λ2-v关系受领先相类型影响较大;随着试样直径的增大,λ1-v关系中的指数绝对值逐渐减小;但生长距离的改变对λ1和λ2影响不大。基于最高界面温度准则对Ti-46Al-2Cr-2Nb合金定向凝固过程中的领先相选择进行了研究。发现凝固条件通过影响α相和β相的界面温度,进而影响定向凝固过程中的领先相选择。在纯扩散条件下建立的领先相选择模型仅能定性描述Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的领先相转变,计算得到的vtr理论值与实验值偏差较大。引入对流的影响后,领先相选择模型可以解释试样直径对领先相选择的影响,但无法解释领先相随生长距离的转变现象。引入初始过渡阶段对领先相的影响后,领先相选择模型可以描述领先相随生长距离的转变,但计算得到的ztr理论值与实验值差别较大。有限长试样中,试样的生长将引起溶质富集,在此基础上对相选择模型进行进一步的修正后,可以对Ti-46Al-2Cr-2Nb合金不同凝固条件下的领先相转变进行比较准确的预测。利用修正后的领先相选择模型进行分析后发现,Ti-46Al-2Cr-2Nb合金领先相与凝固进程相关的复杂转变与对流与液相的溶质富集有关。其中由定向凝固生长距离增加导致的液相溶质富集是促进领先相发生转变的一个主要原因。当定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的领先相为β时,随着温度梯度的增加G和生长速度v的降低,β相的可能生长方向由<211>β,<311>β,<321>β和<322>β等多种方向逐渐转变为其择优生长方向<100>β。当定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的领先相转变为α相后,G=18K/mm时α领先相的生长方向与其择优生长方向<0001>α的夹角保持45°左右,不随生长速度的变化而发生改变。当温度梯度升高到26K/mm后,α领先相的生长方向与其择优生长方向<0001>α的夹角由较低生长速度下的90°左右转变为较高生长速度下的45°左右。经分析后表明,定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的领先相转变过程中,α相与β相遵循Burgers取向关系。凝固初期的β相生长方向和凝固过程中发生的领先相转变共同决定了凝固后期α的生长方向。这导致了领先相转变后α相的生长方向偏离其择优生长方向。
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