论文部分内容阅读
由于γ-TiAl基合金具有密度相对较小、比强度和比刚度大、耐热和优异的抗氧化性能以及良好的高温性能,是一种优秀的轻质耐热结构材料,在提高航空航天飞行器的工作效率,包括提升发动机的工作温度、减小飞行器自重,延长工作寿命等方面具有很大的应用潜力和发展前景。然而TiAl金属间化合物的室温塑性与断裂韧性不足,是限制扩大其实际应用的主要障碍。在典型的四种TiAl基合金室温组织中,由γ-TiAl相和α2-Ti3Al相所组成的全片层组织兼备较好的室温韧性和高温强度,如果能够提高其室温塑性,将极大促进其工业化应用进程。对于全层片TiAl基合金,力学性能上具有较强的各向异性。当片层的取向与加载轴方向平行或成一定倾斜角度时,会使该类合金的塑性得到较大程度的提高。目前,定向凝固技术已经成为控制片层取向分布的主要途径之一,但是TiAl合金熔体活性很高,采用传统定向凝固很难避免其不与陶瓷坩埚发生物理化学反应,最终导致TiAl合金受到杂质污染,对提高TiAl基合金的室温塑性不力。因此,本文采用本课题组发明的电磁冷坩埚定向凝固技术,制备了一批横截面为方形的定向凝固γ-TiAl基合金坯锭,在有效防止传统定向凝固坩埚材料污染合金的同时成功地控制了两种γ-TiAl基合金的片层取向。 首先采用数值模拟的方法,考察了电磁冷坩埚定向凝固工艺中所涉及的电磁场和流场的相关场量变化规律,为定向凝固γ-TiAl基合金坯锭的制备提供理论指导。然后选取Ti-46Al-0.5W-0.5Si与Ti-47Al-2Cr-2Nb两种典型合金进行了定向凝固实验,研究了有关因素,包括成分、凝固参数、流动等对其宏观和微观组织的影响规律。阐明了定向凝固组织尺度特征与凝固参数之间的定量关系,探讨了控制定向凝固γ-TiAl基合金片层取向的影响因素及方法。最后分析了定向凝固Ti-46Al-0.5W-0.5Si与Ti-47Al-2Cr-2Nb合金组织与力学性能的关系。 电磁冷坩埚定向凝固过程中,由于受电磁力的作用,γ-TiAl基合金熔体内部形成了涡旋状的流动,其流动速率随功率增加而增加。由于液相流动的存在,导致γ-TiAl基合金定向凝固过程中出现了柱状晶迎流生长的现象,同时,功率增加,电磁搅拌力增强,熔体流动速率也在增加,形核率增加,从而使得晶粒变得越来越细小。当加热功率足够大时,由于液相流动过快,会导致定向凝固γ-TiAl基合金的柱状晶发生CET转变。 电磁冷坩埚定向凝固γ-TiAl基合金坯锭的固液界面呈下凹且中间大部分比较平坦的曲面,与之垂直的柱状晶的生长方向能基本保持与生长方向一致。随抽拉速度的减小与加热功率的增加,固液界面变得更加平直,进一步减小了柱状晶与试样中轴线的偏离角。随抽拉速度与加热功率的增加,柱状晶粒变得越来越细小。对于Ti-46Al-0.5W-0.5Si,一次枝晶间距λD与凝固速率和温度梯度之间满足关系:λD=1.81×10-5v-1/4与λD=3.8×10-2G-1/2;对于Ti-47Al-2Cr-2Nb,一次枝晶间距λD与凝固速率和温度梯度之间满足关系:λD=2.62×10-5v-1/4与λD=2.78×10-2G-1/2。 电磁冷坩埚定向凝固γ-TiAl基合金的片层取向有三个条件必须满足,即保证初生相为全部β相析出,实现完全的包晶转变以及控制β相枝晶的热力学稳定生长方向。由于电磁冷坩埚定向凝固过程无污染,使得α相稳定元素O的含量很低,部分阻止了α相从液相中直接析出,并且在电磁冷坩埚定向凝固的较高温度梯度作用下,配合较低的凝固速率,保证β相枝晶倾向于热力学稳定的<100>β方向生长,最终促使柱状晶中的片层取向与坯锭生长方向平行及呈一定倾斜角度。片层间距与凝固速率和温度梯度呈反比关系。对于Ti-47Al-2Cr-2Nb,片层间距λ与凝固速率和温度梯度之间满足关系:λ=1.9×10-5v-0.26与λ=4.11×10-4GS-0.48。合金氧含量的变化也会造成片层间距的改变,增加氧含量在一定程度上减小了片层间距。 通过对一系列凝固参数的调节,Ti-46Al-0.5W-0.5Si与Ti-47Al-2Cr-2Nb经采用电磁冷坩埚技术定向凝固后,拉伸力学性能尤其是室温延伸率得到很大提高。Ti-46Al-0.5W-0.5Si试样室温抗拉强度达到500MPa以上,室温延伸率平均达到2％, Ti-47Al-2Cr-2Nb试样室温抗拉强度达到650MPa以上,室温延伸率全部达到3%以上。测试结果表明Ti-46Al-0.5W-0.5Si与Ti-47Al-2Cr-2Nb的维氏硬度HVm与片层间距λ之间满足关系:HVm=324+0.15λ-0.5与HVm=46+0.62λ-0.5,而其断裂韧性KIC与片层间距λ之间满足关系:KIC=3.12+0.0041λ-0.5与KIC=2.79+0.021λ-0.5。