当前位置:主页 > 科技论文 > 铸造论文 >

铸造高Nb-TiAl合金成分优化及其精密铸造工艺研究

发布时间:2018-06-16 11:14

  本文选题:高Nb-TiAl合金 + 成分优化 ; 参考:《北京科技大学》2016年博士论文


【摘要】:同Nb-TiAl合金使用温度比普通TiAl合金高60-100℃、强度高约300-500MPa,并且具有优异的高温抗氧化性能,成为TiAl合金发展的方向。高Nb-TiAl合金的不足是其室温塑性低,导致制备加工困难,限制了其工业化应用进程。熔模精密铸造法具有近终成型性,可以生产结构复杂、表面质量优异的铸件,是制备高Nb-TiAl合金部件的重要途径。本论文主要通过合金化的方法设计适合铸造用的性能均衡的高Nb-TiAl合金,研究合金元素对高Nb-TiAl合金组织、力学性能、铸造性能的影响。并通过数值模拟与实际试验相结合的方法,制备出质量优异的低压涡轮叶片铸件。主要结论和成果如下:(1)合金元素对高Nb-TiAl合金组织及力学性能的影响研究结果表明,少量B(0.2%)的加入可以有效细化Ti-45Al-8Nb(除特殊标注外,全为原子分数)合金组织。Ti-45Al-8Nb-0.4B合金具有最佳的室温力学性能。0.5%Cr的添加会提高Ti-45Al-8Nb-0.4B合金的室温力学性能。因为Cr的加入有利于降低合金层错能,增加合金变形孪晶,从而起到提高合金室温力学性能的作用。但是当加入2%Cr时,合金力学性能降低。因为β相稳定元素Cr的加入会使合金铸态组织中脆性B2相的体积分数增加,使合金力学性能恶化。β相稳定元素Mn在高Nb-TiAl合金中的随机占位,会使得其它β相稳定元素(Nb或Cr)在B2相中分布增加,导致B2相体积分数显著增加,对合金力学性能起到不利影响。Si的加入会使Ti-45Al-8Nb-0.4B合金片层团内部及晶界处析出大量硅化物,对合金力学性能起到不利影响。Ni加入后,合金中B2相含量显著增加,导致合金室温力学性能明显下降。Y的加入会使得片层晶界处析出大量白色点状钇化物颗粒,导致晶界脆化,对合金室温力学性能不利。(2)高Nb-TiAl合金加入Si合金化后,组织中析出的硅化物为具有D88结构的Nb5Si3(ε):相,而不是普通TiAl合金中的Ti5Si3相。ε相的形成有利于合金组织中β(B2)相偏析的减少,因为ε相析出会导致基体中β(B2)相稳定元素Nb含量降低,使β(B2)相区减小。β(B2)相偏析减弱,有利于提高合金铸态室温拉伸力学性能。但是,当含Si高Nb-TiAl合金经1000℃以上热处理后,ε相的大量析出会导致合金室温拉伸力学性能恶化。因为ε相与γ相界面为半共格界面,会导致界面位错产生。ε相会导致裂纹沿片层产生与增殖,而且应力会导致硅化物进一步析出,进一步加速裂纹的产生与扩展。γ相稳定元素Si的加入会导致退火处理或循环热处理组织内部ε相附近形成γ相,导致片层粗化或溶解。(3)对高Nb-TiAl合金充型性能研究表明,降低合金液相线温度、减小合金固液相线温度区间、降低合金粘度、提高合金抗界面反应能力等因素有利于提高合金的充型性能。对Ti-45Al-8Nb合金充型性能有利的元素为(0.5%)Si、Y、Cr、B、Ni;无明显影响的为W、Mn、Co;而有害的为Mo或V。最终,综合考虑合金力学性能与铸造性能,优化的铸造合金成分为Ti-45Al-8Nb-(0.5-0.7)Cr-0.5Si-0.4B。Cr的加入可以有利于降低合金层错能,增加合金变形孪晶,从而起到提高合金室温力学性能的作用;Si的加入可以提高合金充型性能,减少合金β(B2)相偏析;B的加入有利于细化组织,提高合金综合力学性能。(4)应用有限元铸造模拟软件Procast模拟熔模铸造工艺过程,优化工艺参数结果表明,最优的重力铸造工艺参数为浇注温度1650℃、浇注速度1 m/s、模壳预热温度400℃。最优的离心转速为500r/min。利用模拟得到的最佳工艺参数进行实际浇注实验,成功得到涡轮叶片铸件。模拟结果与实验结果吻合良好,模拟对实际铸造过程具有很好的指导作用。离心铸造叶片表面及内部质量均优于重力铸造叶片。重力铸造叶片表面有浇不足现象,而离心铸造叶片表面质量良好。重力铸造叶片缩孔缩松缺陷较多且分散,离心铸造叶片缩孔缩松较少。重力铸造叶片表面裂纹较多,离心铸造叶片裂纹较少。(5)优化出的Ti-45Al-8Nb-0.7Cr-0.5Si-0.4B合金形成的整个叶片组织比较均匀细小,组织为近片层组织。重力铸造片层团尺寸约70μm,叶片边缘与叶片中心位置组织没有明显变化,均是β凝固的近片层组织。由于离心铸造叶片冷却速度较大,叶片片层团尺寸较小约为50μm,而且B2相数量较少,表明该铸造合金可能具有优异的综合力学性能。
[Abstract]:The use temperature of the same Nb-TiAl alloy is 60-100 C higher than that of ordinary TiAl alloy, the strength is high about 300-500MPa, and it has excellent oxidation resistance at high temperature. It has become the direction of the development of TiAl alloy. The deficiency of high Nb-TiAl alloy is the low plasticity of the alloy at room temperature, which leads to the difficult preparation process and restricts its industrial application process. The precision casting method of the melt mold has the near final end. It is an important way for the preparation of high Nb-TiAl alloy parts. This paper mainly deals with the design of high performance Nb-TiAl alloys suitable for casting, and studies the influence of alloy elements on the high Nb-TiAl alloy fabric, mechanical properties and casting properties by alloying. The main conclusions and results are as follows: (1) the effect of alloy elements on the microstructure and mechanical properties of high Nb-TiAl alloy shows that a small amount of B (0.2%) can effectively refine the Ti-45Al-8Nb (except for the special annotation, all atom fraction) alloy. The addition of.Ti-45Al-8Nb-0.4B alloy with the best mechanical properties at room temperature.0.5%Cr will increase the mechanical properties of Ti-45Al-8Nb-0.4B alloy at room temperature. Because the addition of Cr is beneficial to reducing the dislocation energy of the alloy layer and increasing the deformation twinning of the alloy, thus improving the mechanical properties of the alloy at room temperature. But when 2%Cr is added, the mechanical properties of the alloy have been added to the alloy. The addition of the beta phase stable element Cr increases the volume fraction of the brittle B2 phase in the alloy cast microstructure and worsens the mechanical properties of the alloy. The random occupying of the beta phase stable element Mn in the high Nb-TiAl alloy will increase the distribution of the other beta stable elements (Nb or Cr) in the B2 phase, resulting in a significant increase in the volume fraction of the B2 phase and the force of the alloy force. The addition of.Si can precipitate a large number of silicides in the inner and grain boundaries of the Ti-45Al-8Nb-0.4B alloy lamellar mass. The mechanical properties of the alloy have adverse effects on the mechanical properties of the alloy. The content of the B2 phase in the alloy increases significantly after the addition of.Ni, resulting in a significant decrease in the mechanical properties of the alloy at room temperature and the addition of.Y will precipitate a large number of white points at the grain boundary. Yttrium particles can cause the grain boundary embrittlement and disadvantageous to the mechanical properties of the alloy at room temperature. (2) after adding Si alloy to high Nb-TiAl alloy, the precipitated silicides in the tissues are Nb5Si3 (E) with D88 structure, but not the Ti5Si3 phase in the ordinary TiAl alloy. The formation of the phase is favorable for the decrease of the segregation of beta (B2) phase in the alloy structure, because the phase of the epsilon phase precipitates. The B2 phase stable element Nb content is reduced and the phase region of the beta (B2) phase decreases. The segregation of beta (B2) phase decreases, which is beneficial to the increase of tensile mechanical properties at room temperature at room temperature. However, when the Si high Nb-TiAl alloy is heat-treated over 1000 C, a large amount of precipitation of the epsilon phase will lead to the deterioration of tensile mechanical properties at room temperature. The semi common interface leads to the formation of interface dislocation. The epsilon phase leads to the formation and proliferation of cracks along the lamellar, and the stress causes further precipitation of silicides, which further accelerates the formation and expansion of the cracks. The addition of gamma phase stable element Si leads to the formation of gamma phase in the annealing treatment or in the inner epsilon phase of the heat treatment group, leading to the coarsening of the layers. (3) the study of the filling properties of high Nb-TiAl alloy shows that reducing the temperature of the liquid phase line, reducing the temperature range of the alloy solid liquid phase, reducing the viscosity of the alloy and improving the interfacial reaction ability of the alloy are beneficial to improve the filling properties of the alloy. The favorable elements for the filling properties of Ti-45Al-8Nb alloys are (0.5%) Si, Y, Cr, B, Ni. The effects are W, Mn, and Co; while harmful to Mo or V., considering the mechanical properties and casting properties of the alloy, the addition of the optimized casting alloy composition to Ti-45Al-8Nb- (0.5-0.7) Cr-0.5Si-0.4B.Cr can help to reduce the dislocation energy of the alloy layer and increase the deformation twinning of the alloy to improve the mechanical properties of the alloy at room temperature; the addition of Si It can improve the filling properties of the alloy and reduce the segregation of alloy beta (B2) phase. The addition of B is beneficial to refining the microstructure and improving the comprehensive mechanical properties of the alloy. (4) the simulation software Procast of the finite element casting simulation software is used to simulate the casting process. The optimum parameters of the process parameters show that the optimum casting process parameters are 1650 centigrade, and the casting speed is 1. M/s, the preheating temperature of the mold shell is 400. The optimum centrifugal speed is 500r/min. using the best process parameters obtained by simulation. The turbine blade casting is successfully obtained. The simulation results are in good agreement with the experimental results. The simulation has good guidance for the actual casting process. The surface and internal quality of the centrifugal casting blade are excellent. In gravity casting, the surface of the blade surface of gravity casting is inadequate, while the surface quality of the centrifugal casting blade is good. The shrinkage and shrinkage defects of the gravitational casting blade are more and dispersed, and the shrinkage and shrinkage of the centrifugal casting blade are less. There are more cracks on the surface of the centrifugal casting blade, and the cracks in the centrifugal casting blade are less. (5) the optimized Ti-45Al-8Nb-0.7Cr-0.5S The whole blade tissue formed by i-0.4B alloy is more uniform and finer, and the tissue is near lamellar tissue. The size of the gravity casting lamella is about 70 mu m, and there is no obvious change in the position of the blade edge and the central position of the blade. The smaller number of 2 phases indicates that the casting alloy may have excellent comprehensive mechanical properties.
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG27;TG146.23

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 谭庆麟 ,何纯孝 ,许显光;美国合金相图资料计划及第三次国际合金相图委员会简况[J];贵金属;1982年02期

2 刘静安;几种高性能汽车用铸造铝-硅合金[J];轻合金加工技术;2002年03期

3 刘相果,彭晓东,谢卫东,魏群义;金属锶及其合金的研究现状与应用[J];稀有金属;2004年04期

4 李英;高志;高明;;数字化合金相图的研究[J];计算机与应用化学;2007年03期

5 祝国梁;疏达;王俊;孙宝德;;铝及其合金熔体中去除杂质硅元素的研究进展[J];材料导报;2008年10期

6 袁孚胜;李明茂;朱应禄;钟海燕;;稀土在铝及其合金中的作用和应用[J];上海有色金属;2009年03期

7 熊柏青;李锡武;张永安;李志辉;朱宝宏;王锋;刘红伟;;新型高强韧低淬火敏感性Al-7.5Zn-1.65Mg-1.4Cu-0.12Zr合金[J];中国有色金属学报;2009年09期

8 陈季香;王清;王英敏;董闯;;团簇线规律在合金相结构中的应用[J];材料导报;2009年24期

9 张国鹏;杨伏良;马政;党小荔;熊落保;尹德艳;;新型高强高韧铝镁硅合金的组织和性能[J];中南大学学报(自然科学版);2010年06期

10 大日方一司;任继嘉;;最近捔合金的研究趋势[J];国外轻金属;1966年03期

相关会议论文 前10条

1 刘近朱;欧阳明安;马励;张国威;欧阳锦林;;含硫镍基高温自润滑合金的研究(1)[A];第一届全国青年摩擦学学术会议论文集[C];1991年

2 曾建民;周怀营;孙仙奇;周开文;;Al7Si0.3Mg合金的合金化原理及性能[A];第十届全国相图学术会议论文集[C];2000年

3 周晓松;彭述明;郝万立;龙兴贵;李宏发;罗顺忠;;Zr_3V_3O合金的结构及吸放氘性能研究[A];第八届全国核靶技术学术交流会论文摘要集[C];2004年

4 黄国杰;谢水生;米绪军;李华清;;高速铁路用Cu-Cr-Zr合金的研究[A];中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集[C];2007年

5 徐丽娟;肖树龙;陈玉勇;;Mo含量对牙科用Ti-Mo合金显微组织及性能的影响[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(5)[C];2007年

6 柳瑞清;刘东辉;胡斐斐;刘羽飞;;Si含量对铸态C72500合金的组织及性能影响[A];中国有色金属学会第十四届材料科学与合金加工学术年会论文集[C];2011年

7 王本力;李莉;郑玉峰;;生物医用Ti-Nb基合金的显微组织与耐磨性[A];第十四届全国钛及钛合金学术交流会论文集(下册)[C];2010年

8 冒国兵;张光胜;孙宇峰;刘琪;余小鲁;;Mg-5Al-xY合金的铸态组织及力学性能[A];第十三届21省(市、区)4市铸造会议暨第七届安徽省铸造技术大会论文集[C];2012年

9 李霞;赵栋梁;张羊换;许剑轶;胡锋;张胤;;球磨La_2Mg_(17)与Ni复合合金的电化学贮氢性能研究[A];第十七届(2013年)全国冶金反应工程学学术会议论文集(下册)[C];2013年

10 热焱;曲迎东;邱克强;;Sb对Mg-4Si合金中Mg_2Si相形貌与结构的影响[A];创新装备技术 给力地方经济——第三届全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技论坛论文集[C];2013年

相关重要报纸文章 前2条

1 李有观;日本研制出两种新钛合金[N];中国有色金属报;2002年

2 王祝堂;航空航天铝合金发展的里程碑(二)[N];中国有色金属报;2012年

相关博士学位论文 前10条

1 胡光山;Y和Nd对Mg-Zn-Mn-Sn系变形镁合金组织和性能的影响[D];重庆大学;2015年

2 鲁若鹏;Mg-Zn-Y合金中LPSO相的调控及其对阻尼和力学性能的影响机制研究[D];重庆大学;2015年

3 万刚;镁合金变形组织、织构的演变规律及其力学行为研究[D];南京航空航天大学;2012年

4 李亚琼;Si-Al(-Sn)合金凝固精炼过程中硼杂质分凝行为的研究[D];大连理工大学;2015年

5 吕丽君;钍基熔盐堆氚吸附与储存用LaNi_(4.25)Al_(0.75)和ZrCo合金性能改进研究[D];中国科学院研究生院(上海应用物理研究所);2016年

6 杨亮;铸造高Nb-TiAl合金成分优化及其精密铸造工艺研究[D];北京科技大学;2016年

7 周振平;Al-Fe合金熔体处理及凝固特性研究[D];沈阳工业大学;2008年

8 史鹏;合金化元素钛对U-0.79wt.%Ti合金氢化行为影响研究[D];中国工程物理研究院;2013年

9 李宝增;基于稳定固溶体团簇结构模型的Fe基多元合金[D];大连理工大学;2012年

10 李婷;EW75合金的组织结构及在制备加工中的演化[D];北京有色金属研究总院;2013年

相关硕士学位论文 前10条

1 徐雪林;非晶Mg-Ni合金的结构改性及电化学储氢性能研究[D];华南理工大学;2015年

2 童立甲;Fe-Mn合金的弹性性能和电子结构的研究[D];河北联合大学;2014年

3 李冬;高强高韧Ti-Al-Fe-V-Cr-Zr合金显微组织与性能研究[D];北京有色金属研究总院;2015年

4 程艳茹;晶粒度对Mg-Ca-Nd合金力学及腐蚀性能的影响[D];长安大学;2015年

5 刘秋平;稀土元素对7075合金机械性能的影响及回归工艺的优化[D];郑州大学;2015年

6 石磊;Al-10Si-2Cu合金共晶团的细化及其对热裂敏感性的影响[D];山东大学;2015年

7 宁韶奇;Al对Fe_(81)Ga_(19)合金显微组织及磁致伸缩应变的影响[D];内蒙古工业大学;2015年

8 张永锐;Al-Si-Ge合金中Si(Ge)相的演变及控制的研究[D];山东大学;2015年

9 汪光亮;铸造Al-11.9Si-3.5Cu-1.7Ni-0.8Mg铝合金热处理工艺及力学性能研究[D];上海交通大学;2015年

10 徐兴隆;Zn元素对7072Al合金微观组织与性能的影响[D];上海交通大学;2015年



本文编号:2026464

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2026464.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户8c5ec***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com