冷坩埚定向凝固TiAl合金组织与疲劳性能

发布时间：2020-08-09 16:00

【摘要】：航空发动机的轻量化一直是各国研究的重点。TiAl基合金具有密度低、强度高、抗氧化性好、抗高温蠕变性能好等特点受到广泛关注,是发动机叶片潜在的应用材料。发动机工作时,叶片受到高循环周次变动载荷的作用。因此,为了提高涡轮叶片的可靠性、推进TiAl合金叶片的工程化应用,对TiAl合金疲劳性能的研究具有重要意义。本文利用冷坩埚定向凝固炉制备Ti-46Al、Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er(at.%)、高Nb-TiAl钛铝合金铸锭,对其表面质量、宏观组织、显微组织进行分析。测试原始铸态和定向凝固组织弯曲疲劳性能,以Ti-46Al合金为基础,分析疲劳性能和组织的关系。选出弯曲疲劳性能较优的合金,测试拉伸疲劳、带缺口试样的弯曲疲劳性能。实验结果表明:Ti-46Al、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er、高Nb-TiAl合金的柱状晶平行度、连续性好,定向效果较优。Ti-46Al、高Nb-TiAl合金具有典型的全片层组织。Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er合金组织由γ/α_2片层团和Er_2O_3相组成。Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr合金定向组织由γ/α_2片层团和大量B2相、γ单相组成,宏观组织呈等轴状,定向效果不佳。根据三点弯曲疲劳试验得出,冷坩埚定向凝固Ti-46Al、Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er、高Nb-TiAl合金的弯曲疲劳极限分别为390MPa、414MPa、470MPa,高Nb-TiAl具有最优的抗弯曲疲劳性。冷坩埚定向凝固提高母合金铸锭的抗弯强度、挠度和疲劳极限。Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.2Er合金中的Cr、Nb元素固溶强化了合金的基体,提高合金的力学性能。Er元素的添加细化片层间距,在一定程度上提高了合金的力学性能,但是Er_2O_3相与基体的界面结合较弱,并且该相一般为松散的团簇状,往往诱发疲劳裂纹的萌生,并且在疲劳裂纹扩展路径上作为薄弱点被穿过。高Nb-TiAl合金中的Nb元素固溶强化效果显著,疲劳断裂以穿片层断裂为主导,沿片层断裂数量较少。“U”形缺口的弯曲疲劳极限约为光滑试样值的0.45倍,疲劳应力集中系数K_f=2.22。高Nb-TiAl合金的拉伸疲劳极限为215MPa,试样常应力集中较大的宽厚相交直角处或过渡圆角处断裂,疲劳裂纹在片层团界面或者沿片层处萌生,裂纹扩展至临界尺寸时,发生脆性解理断裂。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V252;V263;TG132.3
【图文】：

晶体结构,合金,抗蠕变性,全片层组织

图 1-1 TiAl 合金各相的晶体结构[14](a) TiAl 相；(b) α2相；(c) B2 相1.2.2 TiAl 合金的显微组织与性能TiAl 合金的力学性能与显微组织密切相关。目前认定，TiAl 基合金室温显微织有四种，如图 1-2 所示，根据组织中α2相、γ相和α2/γ层片团体积分数的所占比例TiAl 合金组织大致可以分为：(1)全层片状组织(full-lamellar microstructure)，(2)近片状组织(near-lamellar microstructure)，(3)双态组织(duplex microstructure)，(4)等近γ单相组织(single γ-phase)[16]。TiAl 基合金的四种显微组织在性能有差异较大[16全片层组织和近片层组织在这四种显微组织中表现出较高的抗蠕变性及断裂韧性但全片层组织和近片层组织的成相温度高，晶团较粗大，所以拉伸延展性差。细双态组织显示出低的断裂韧性和抗蠕变性，但是在室温下具有优良的延伸率。等近γ单相组织的性能不理想，研究价值不大。

显微组织,抗蠕变性,片层组织,双态组织

图 1-1 TiAl 合金各相的晶体结构[14](a) TiAl 相；(b) α2相；(c) B2 相l 合金的显微组织与性能合金的力学性能与显微组织密切相关。目前认定，TiAl 基合金室温，如图 1-2 所示，根据组织中α2相、γ相和α2/γ层片团体积分数的所组织大致可以分为：(1)全层片状组织(full-lamellar microstructure)，(near-lamellar microstructure)，(3)双态组织(duplex microstructure)，织(single γ-phase)[16]。TiAl 基合金的四种显微组织在性能有差异较织和近片层组织在这四种显微组织中表现出较高的抗蠕变性及断裂组织和近片层组织的成相温度高，晶团较粗大，所以拉伸延展性差显示出低的断裂韧性和抗蠕变性，但是在室温下具有优良的延伸率织的性能不理想，研究价值不大。

温度分布,浮区法,坩埚

图 1-4 光浮区法制备 TiAl 合金 PST 晶体[14]布里基曼法又称坩埚下降法，是科学家 P.W.Bridgman 提出的一种定向凝固的技术[7]。该方法是将原材料放入坩埚中，加热坩埚并熔融其中的材料，然后缓慢向下移动坩埚，坩埚内熔体经过生长炉时遇低温结晶，而后晶体沿着坩埚移动的反方向长大，获得定向组织。生长炉内纵向的温度分布由三个区域组成：高温区（hightemperature zone），梯度区(gradient zone)，低温区（low temperature zone）。高温区内有加热装置，一般使用电阻丝或电磁感应线圈加热，坩埚中的原材料在高温区是熔融状态。低温区内存在冷却装置，冷却介质可以采用水、液态金属、固体粉末等。在高温区和低温区之间存在一个梯度区，这里由于衔接高温区和低温区，因此形成较大的温度梯度。采用一定的方法控制高温区的侧向散热，使生长炉保持一维的温度梯度，防止晶体的侧向生长。该方法对设备要求不高，可操控性好。但是Bridgman 法定向凝固存在一些缺点。合金在凝固过程中存在溶质分离，使得凝固组织中存在成分偏析，恶化性能。其次在使用 Bridgman 法制备 TiAl 合金时，活泼的Ti 元素与膜壳接触时极易发生反应。为了制备出高效、无污染的定向凝固 TiAl 合金铸锭，研究人员[23]将定向凝固、

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