基于包晶相变的定向凝固TiAl-Nb合金组织控制与力学性能研究

发布时间：2018-07-17 09:14

【摘要】：TiAl-Nb合金因其低密度、优越的高温力学性能和良好的抗氧化性能,有望取代镍基高温合金,成为新一代航空发动机用候选材料,然而低的室温塑性和加工困难限制了其工程应用。通过定向凝固技术控制TiAl合金的片层方向,显著提高其室温塑性和抗蠕变性能等室温高温综合力学性能,成为国内外研究热点。本研究通过Bridgman定向凝固实验并结合相关热力学模拟计算,针对籽晶法控制片层组织方向研究的不足,提出定向凝固过程中利用包晶转变控制β先凝固TiAl-Nb合金片层组织方向的学术思路。分析了定向凝固启动前低温端的样品特征及对随后定向生长的影响,同时也对高温端包晶相变过程中的晶体生长、相变过程调控及包晶转变完成程度等方面进行了深入探讨。获得了样品历史、合金成分和定向凝固过程参数(温度梯度G、抽拉速度V)对初生相晶体取向、包晶相变过程和包晶转变完成程度的影响规律,为调整TiAl合金定向凝固路径,控制β先凝固TiAl-Nb合金室温片层组织方向的工艺方法提供理论依据。同时本研究还对不同凝固模式定向凝固合金的力学性能进行了评估。主要得出以下结论及创新点：(1)热稳定处理过程中溶质Al逐渐向完全液相区迁移,使得糊状区内Al的溶度总低于铸态合金的原始溶度,同时获得重新分布。而完全液相区的平均溶质浓度略高于铸态合金的原始溶度；热稳定处理使得糊状区长度逐渐变短且内部固相晶粒逐渐粗化,最终会呈现全固相形貌且晶粒朝着有利的结晶学方向生长；适当时间的热稳定处理在糊状区形成的L+β+α三相区有利于控制定向凝固包晶TiAl合金的片层结构,较长的热稳定处理时间会导致凝固生长过程中β枝晶生长方向趋于和拉拔方向一致,β枝晶间距趋于增大而枝晶间偏析趋于减轻。(2)单次定向凝固和二次定向凝固工艺条件下,枝晶形貌由等轴晶变为柱状晶,初始生长界面附近三个区域的微观组织基本保持一致,均呈定向的枝晶偏析形貌。初始生长界面附近三个区域的晶粒沿定向生长方向均存在着不同程度的取向优化。同单次定向凝固相比,二次定向凝固工艺条件下,初始糊状区的长度明显减小,糊状区内β枝晶的形貌和取向特征有利于定向凝固晶粒取向的控制同定向生长方向平行的枝晶形貌和择优的β枝晶取向在β籽晶化的过程中起主导因素。(3)热力学模拟结果表明,对于TiAl二元合金,发生完全包晶转变的成分为46.5%Al(除特殊标注外,全为原子分数)。对于含Nb的三元合金,完全包晶转变的成分区间随着Nb的增加,逐渐向高Al方向移动,当Nb增加到8%时,若Al溶质的含量在49%左右仍然能够发生完全包晶转变。在完全包晶转变成分的两侧包晶反应程度呈对称分布。Al含量在47～49%,Nb含量在5-8%时合金△Tp范围最大。同理论模拟相比,实验观察到完全包晶转变的成分区间向低Al方向偏移,偏移的范围约为1.5～2.0%Al。同时成分带随着Nb含量的升高而逐渐变宽。(4)当温度梯度G与成分CAl一定时,随着V值增大,λ1、 λ2、 R、 d值均呈减小趋势。当温度梯度G与抽拉速度V一定时,随着溶质Al含量的升高,λ1、λ2、R值均呈递减趋势,而d值呈现先增加再减小的趋势；本研究所得到的λ1的生长速率指数为0.29,和大部分研究结果吻合。λ2的生长速率指数为0.26,和大部分研究结果接近。TiAl合金系中R和d的生长速率指数比其它合金体系的要小；实验测量获得的λ1值分别和通过Hunt模型、Kurz-Fisher模型、Trivedi模型、Bouchard-Kirkaldy模型和Hunt-Lu模型计算获得的λ1值进行了比较,除了实验测量获得的λ1值远高于通过Hunt-Lu模型计算获得的结果外,实验结果基本和其它理论模型计算的结果一致。通过Trivedi-Somboonsuk模型计算获得的λ2值与实验测量获得的λ2值比较接近。对于所有的实验成分,实验测量获得的R值略高于通过Kurz-Fisher模型计算的结果,而通过Hunt模型和1rivedi模型计算获得的R值均远低于实验的测量结果。实验所得λ2/R的平均值为1.44,低于理论值λ2/R=2。(5)对于不同的凝固模式(单-β凝固模式B,亚包晶凝固模式BA, 过包晶凝固模式BAA和单-α凝固模式A),晶粒尺寸、形态,片层取向、微观偏析的程度及分布均出现较大差异。B凝固模式合金不会造成强的化学成分不均匀性,而包晶凝固模式会造成很强的化学不均匀性。对于BA模式,在枝晶间会有L→α相变出现,对于BAA模式,在枝晶间会有L→α和L→γ相变同时出现。随着Nb含量从2%增加到8%,片层团簇的尺寸减小了1/3,初生枝晶的尺寸也呈递减趋势,同时β偏析和晶间Al偏析的含量逐渐增加；包晶成分的合金倾向于生长柱状晶粒,因此BA模式和BAA模式的合金成分适应于定向凝固工艺。进一步对这两种凝固模式对片层取向可能产生的影响进行评估发现,BA模式中Al含量较高的合金可作为定向凝固控制片层取向最理性的合金成分。受成分偏析的影响,从BA模式到BAA模式,片层团界从分布于初生β枝晶内部向分布于β枝晶间转移。BA模式中Al含量较低的合金片层团间距的不断改变和发生的微小倾斜造成了片层的“弯曲”现象。这种“弯曲”现象会随着Al含量的升高而消失。(6)对于压缩性能,纵向的屈服强度和压缩强度整体高于横向的相应值,而最大压缩应变在两个方向上的变化相差不大。随着Al含量的升高,屈服强度呈现先减小后递增的规律,这和压缩强度、最大压缩应变随Al含量的变化规律相反；包晶凝固模式的合金试样在定向凝固工艺之后,其压缩性能,室温、高温拉伸性能和断裂韧性均高于其它凝固模式的合金。包晶凝固模式,尤其是亚包晶合金有利于控制定向凝固片层取向,并具有较高的强度。
[Abstract]:In this paper , the influence of solidification process parameters ( temperature gradient G , drawing velocity V ) on the microstructure of TiAl - Nb alloy sheet is studied . The results are as follows : ( 1 ) The temperature gradient and creep resistance of TiAl - Nb alloy are controlled by directional solidification technology .
the thermal stabilization treatment makes the length of the paste region be gradually shortened and the internal solid phase grains are gradually roughened , finally the whole solid phase morphology is presented and the grains grow in the favorable crystallization direction ;
( 2 ) Under the condition of single directional solidification and secondary directional solidification , the morphology and orientation characteristics of 尾 dendrite in the paste area tend to be reduced . ( 3 ) The morphology and orientation of 尾 dendrite in the paste area are favorable to the orientation of directional solidification grain . ( 4 ) When the temperature gradient G and the component CAl are constant , the content of Al solute is about 1.5 锝，

本文编号：2129953