电流作用下TiAl合金凝固组织和力学性能研究
发布时间：2021-02-09 09:15
TiAl合金密度较小、比强度和比模量高、高温抗蠕变及抗氧化性能好,具有良好的力学性能、物理性能及特殊的机械性能,是军事、航空航天推进系统的静止件和转动件的最佳候选材料之一,亦是汽车增压涡轮和排气阀等高温部件的理想用材。然而,TiAl合金的室温塑性与断裂韧性不足,成为TiAl合金领域需要解决的问题,也是制约TiAl合金继续发展和扩大应用的关键问题。将电流处理作为一种外场技术作用于TiAl合金的凝固过程,能够细化凝固组织,又避免了高活性的TiAl合金熔体采用化学细化时引入细化剂。本文将直流电流和脉冲电流作用于Ti-4822合金的凝固过程,研究电流形式和电流参数对TiAl合金的柱状晶生长偏离角度、柱状晶宽度及生长连续性、凝固界面形貌、片层厚度及取向、合金偏析的影响,调节凝固行为和优化凝固组织,并揭示电流在TiAl合金凝固组织形成的作用机理,测试不同参数电流作用下TiAl合金的力学性能,分析电流参数、TiAl合金凝固组织及其与力学性能的相关性。利用Ansys软件模拟电流作用下TiAl合金熔体中的磁场和Lorentz力的分布情况。直流电流作用下的TiAl合金熔体中的磁场和Lorentz力均是由表...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
第2、3代TiAl合金比强度与温度的关系曲线[36,37]
图1-3第2、3代TiAl合金比强度与温度的关系曲线[36,37]表1-2为目前工程上应用的TiAl合金成分及性能简表[35]。1993年,美国Howmet公司开发出铸态Ti-4822合金低压涡轮叶片并应用于CF6-80C发动机上试车成功;2006年,美国GE公司将铸造的Ti-4822合金发动机低压涡轮叶片正式应用在GEnxTM发动机上;2011年,Boeing747-8s的GEnxTM-2B发动机LPT叶片的最后一级采用Ti-4822合金制成;2012年,Boeing787-8发动机共7级低压涡轮的最后两级LPT全部采用Ti-4822合金制成。
Ti-Al金属间化合物中,伴随Al含量的增大,出现Ti3Al(α2)、TiAl(γ)、TiAl2及TiAl3四种基体相,但仅有Ti3Al和TiAl基体相具有工程应用和实际研究价值,得到人们更多地去关注和研究[10,35,39],Ti3Al和TiAl基体相在室温下为稳定相,两相的相对含量由Al含量所决定,一般γ-TiAl合金中的γ相含量在80%~95%左右。Ti3Al(α2)相具有六方D019超点阵结构,Al含量22%~39%(at%),单胞参数随成分改变而变化,a=0.5783~0.5640 nm、c=0.4760~0.4619 nm,Ti3Al相是一种有序固溶体,高于临界温度1180°C将转变成无序固溶体α相(hcp结构)[10,35]。TiAl(γ)相具有L10型有序正方超点阵结构,Al含量48%~69.5%(at%),单胞参数随成分改变发生改变,a=0.3957~0.4105 nm、c=0.4062~0.4097 nm、轴比c/a=1.01~1.03,γ(TiAl)相与α2(Ti3Al)相的晶格结构如图1-5所示[10,35]。TiAl合金中的α2基体相室温下具有一定的延展性,但其具有高温强度低、抗氧化性能差和氢脆等特性;γ基体相抗氧化性能较好,但在室温下塑性与韧性差。研究发现,单相TiAl合金综合性能差,含Al在40%~48%(at%)的双相TiAl合金具有工程价值。因此对TiAl合金微观组织的调控方法主要是通过对晶粒(或片层团)尺寸、片层组织百分含量、γ/α2相对含量、片层厚度等的控制来实现。一般通过材料加工过程中的加热温度、升温速率、保温时间及冷却速率来达到组织控制的目的。片层厚度是由冷却速率所决定的,增大冷却速度就能得到较小尺寸的片层厚度。一般情况下,Al含量在35%~49%(at%)的TiAl合金通常由γ和α2两相组成,根据合金组织中等轴γ晶粒与γ/α2片层团含量,TiAl合金具有4种典型室温组织(图1-6)[10,35]:全片层组织(Full lamellae)完全由α2/γ片层团构成、近片层组织(Near lamellae)大量γ/α2片层团及少许等轴γ晶粒、双态组织(Duplex)γ/α2片层团与γ晶粒体积分数接近、等轴近γ组织(Near gamma)仅由单相γ晶粒组成。另外,在层片反应能够进行的最高冷却速度情况下产生特殊的γ/α2片层组成的魏氏体晶团[40,41]和“羽毛状组织”[42],魏氏组织是在层片状晶团中形成的聚集的α2/γ平行片层包,羽毛状组织是片层团内的一些相对于周围的片层团取向差异的片层晶团(通常<15°)。根据TiAl二元合金相图,Al含量对TiAl合金室温组织结构产生很大的影响,Al含量不但影响到合金组织形态、晶粒尺寸变化又影响片层间距大小。Al含量<46at.%的TiAl合金的室温组织为全片层组织;Al含量(46-50)at.%的TiAl合金在室温条件下是由γ晶粒和片层α2/γ所组成的双相组织;Al含量>50at.%的TiAl合金室温组织由单相γ晶粒构成[35]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Grain nucleation and growth behavior of a Sn-Pb alloy affected by direct current: An in situ investigation[J]. Fenfen Yang,Zongning Chen,Fei Cao,Rong Fan,Huijun Kang,Wanxia Huang,Qingxi Yuan,Tiqiao Xiao,Yanan Fu,Tongmin Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(10)
[2]脉冲电流在塑性加工中的应用[J]. 王国峰,李骁,李丹峰,张凯锋. 航空制造技术. 2017(18)
[3]微重力条件下单晶合金的凝固生长[J]. 罗兴宏,晋冬艳,任玉虎. 中国材料进展. 2017(04)
[4]微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响[J]. 谷倩倩,阮莹,代富平. 物理学报. 2017(10)
[5]冷却速率对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织及性能的影响[J]. 包春玲,谢华生,赵军,张有为. 铸造. 2016(12)
[6]7B04铝合金直流电均匀化过程中的第二相和性能演化（英文）[J]. 何立子,贾品峰,张林,崔建忠. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(02)
[7]Solidification Behavior of Immiscible Alloys under the Effect of a Direct Current[J]. Hongxiang Jiang,Jiuzhou Zhao,Jie He. Journal of Materials Science & Technology. 2014(10)
[8]航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J]. 黄旭,李臻熙,高帆,黄浩. 航空制造技术. 2014(07)
[9]脉冲电流作用下纯铝熔体凝固晶核的迁移行为(英文)[J]. 李希彬,芦凤桂,崔海超,唐新华. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(01)
[10]循环热处理对TiAl合金组织及组织稳定性影响[J]. 刘军胜. 吉林农业科技学院学报. 2013(01)
博士论文
[1]氧化钇铸型定向凝固TiAl基合金组织与性能研究[D]. 张海龙.哈尔滨工业大学 2018
[2]超重力对金属凝固组织细化及元素偏析行为的基础研究[D]. 杨玉厚.北京科技大学 2018
[3]高温固态置氢TiAl合金组织演化及高温变形行为[D]. 马腾飞.哈尔滨工业大学 2017
[4]Cu-Sn化合物电流辅助定向生长与微焊点瞬态键合机理[D]. 刘宝磊.哈尔滨工业大学 2017
[5]TiAl合金定向片层组织电磁约束制备及力学性能[D]. 杜玉俊.西北工业大学 2015
[6]冷坩埚定向凝固Ti-（43-48）Al-2Cr-2Nb合金组织与力学性能[D]. 王永喆.哈尔滨工业大学 2015
[7]外场致金属熔体结构变化的电性表征研究[D]. 张建锋.东北大学 2014
[8]超声场对高强铝合金凝固过程的影响规律与作用机理研究[D]. 蒋日鹏.中南大学 2014
[9]γ-TiAl基合金液态置氢及其对组织和力学性能的影响[D]. 刘鑫旺.哈尔滨工业大学 2011
[10]含Hf铸造钛铝基合金组织细化及其机制研究[D]. 张莉.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]合金化对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金显微组织和力学性能的影响[D]. 赵俊才.湘潭大学 2015
[2]熔铸法制备Nb丝增韧Ti-48Al-2Cr复合材料及组织性能研究[D]. 陈武.哈尔滨工业大学 2013
[3]γ-TiAl基金属间化合物电磁成形定向凝固及组织特性研究[D]. 彭桂林.西北工业大学 2004
本文编号：3025410
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
第2、3代TiAl合金比强度与温度的关系曲线[36,37]
图1-3第2、3代TiAl合金比强度与温度的关系曲线[36,37]表1-2为目前工程上应用的TiAl合金成分及性能简表[35]。1993年,美国Howmet公司开发出铸态Ti-4822合金低压涡轮叶片并应用于CF6-80C发动机上试车成功;2006年,美国GE公司将铸造的Ti-4822合金发动机低压涡轮叶片正式应用在GEnxTM发动机上;2011年,Boeing747-8s的GEnxTM-2B发动机LPT叶片的最后一级采用Ti-4822合金制成;2012年,Boeing787-8发动机共7级低压涡轮的最后两级LPT全部采用Ti-4822合金制成。
Ti-Al金属间化合物中,伴随Al含量的增大,出现Ti3Al(α2)、TiAl(γ)、TiAl2及TiAl3四种基体相,但仅有Ti3Al和TiAl基体相具有工程应用和实际研究价值,得到人们更多地去关注和研究[10,35,39],Ti3Al和TiAl基体相在室温下为稳定相,两相的相对含量由Al含量所决定,一般γ-TiAl合金中的γ相含量在80%~95%左右。Ti3Al(α2)相具有六方D019超点阵结构,Al含量22%~39%(at%),单胞参数随成分改变而变化,a=0.5783~0.5640 nm、c=0.4760~0.4619 nm,Ti3Al相是一种有序固溶体,高于临界温度1180°C将转变成无序固溶体α相(hcp结构)[10,35]。TiAl(γ)相具有L10型有序正方超点阵结构,Al含量48%~69.5%(at%),单胞参数随成分改变发生改变,a=0.3957~0.4105 nm、c=0.4062~0.4097 nm、轴比c/a=1.01~1.03,γ(TiAl)相与α2(Ti3Al)相的晶格结构如图1-5所示[10,35]。TiAl合金中的α2基体相室温下具有一定的延展性,但其具有高温强度低、抗氧化性能差和氢脆等特性;γ基体相抗氧化性能较好,但在室温下塑性与韧性差。研究发现,单相TiAl合金综合性能差,含Al在40%~48%(at%)的双相TiAl合金具有工程价值。因此对TiAl合金微观组织的调控方法主要是通过对晶粒(或片层团)尺寸、片层组织百分含量、γ/α2相对含量、片层厚度等的控制来实现。一般通过材料加工过程中的加热温度、升温速率、保温时间及冷却速率来达到组织控制的目的。片层厚度是由冷却速率所决定的,增大冷却速度就能得到较小尺寸的片层厚度。一般情况下,Al含量在35%~49%(at%)的TiAl合金通常由γ和α2两相组成,根据合金组织中等轴γ晶粒与γ/α2片层团含量,TiAl合金具有4种典型室温组织(图1-6)[10,35]:全片层组织(Full lamellae)完全由α2/γ片层团构成、近片层组织(Near lamellae)大量γ/α2片层团及少许等轴γ晶粒、双态组织(Duplex)γ/α2片层团与γ晶粒体积分数接近、等轴近γ组织(Near gamma)仅由单相γ晶粒组成。另外,在层片反应能够进行的最高冷却速度情况下产生特殊的γ/α2片层组成的魏氏体晶团[40,41]和“羽毛状组织”[42],魏氏组织是在层片状晶团中形成的聚集的α2/γ平行片层包,羽毛状组织是片层团内的一些相对于周围的片层团取向差异的片层晶团(通常<15°)。根据TiAl二元合金相图,Al含量对TiAl合金室温组织结构产生很大的影响,Al含量不但影响到合金组织形态、晶粒尺寸变化又影响片层间距大小。Al含量<46at.%的TiAl合金的室温组织为全片层组织;Al含量(46-50)at.%的TiAl合金在室温条件下是由γ晶粒和片层α2/γ所组成的双相组织;Al含量>50at.%的TiAl合金室温组织由单相γ晶粒构成[35]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Grain nucleation and growth behavior of a Sn-Pb alloy affected by direct current: An in situ investigation[J]. Fenfen Yang,Zongning Chen,Fei Cao,Rong Fan,Huijun Kang,Wanxia Huang,Qingxi Yuan,Tiqiao Xiao,Yanan Fu,Tongmin Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2017(10)
[2]脉冲电流在塑性加工中的应用[J]. 王国峰,李骁,李丹峰,张凯锋. 航空制造技术. 2017(18)
[3]微重力条件下单晶合金的凝固生长[J]. 罗兴宏,晋冬艳,任玉虎. 中国材料进展. 2017(04)
[4]微重力下Fe-Al-Nb合金液滴的快速凝固机理及其对显微硬度的影响[J]. 谷倩倩,阮莹,代富平. 物理学报. 2017(10)
[5]冷却速率对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织及性能的影响[J]. 包春玲,谢华生,赵军,张有为. 铸造. 2016(12)
[6]7B04铝合金直流电均匀化过程中的第二相和性能演化（英文）[J]. 何立子,贾品峰,张林,崔建忠. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016(02)
[7]Solidification Behavior of Immiscible Alloys under the Effect of a Direct Current[J]. Hongxiang Jiang,Jiuzhou Zhao,Jie He. Journal of Materials Science & Technology. 2014(10)
[8]航空发动机用新型高温钛合金研究进展[J]. 黄旭,李臻熙,高帆,黄浩. 航空制造技术. 2014(07)
[9]脉冲电流作用下纯铝熔体凝固晶核的迁移行为(英文)[J]. 李希彬,芦凤桂,崔海超,唐新华. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014(01)
[10]循环热处理对TiAl合金组织及组织稳定性影响[J]. 刘军胜. 吉林农业科技学院学报. 2013(01)
博士论文
[1]氧化钇铸型定向凝固TiAl基合金组织与性能研究[D]. 张海龙.哈尔滨工业大学 2018
[2]超重力对金属凝固组织细化及元素偏析行为的基础研究[D]. 杨玉厚.北京科技大学 2018
[3]高温固态置氢TiAl合金组织演化及高温变形行为[D]. 马腾飞.哈尔滨工业大学 2017
[4]Cu-Sn化合物电流辅助定向生长与微焊点瞬态键合机理[D]. 刘宝磊.哈尔滨工业大学 2017
[5]TiAl合金定向片层组织电磁约束制备及力学性能[D]. 杜玉俊.西北工业大学 2015
[6]冷坩埚定向凝固Ti-（43-48）Al-2Cr-2Nb合金组织与力学性能[D]. 王永喆.哈尔滨工业大学 2015
[7]外场致金属熔体结构变化的电性表征研究[D]. 张建锋.东北大学 2014
[8]超声场对高强铝合金凝固过程的影响规律与作用机理研究[D]. 蒋日鹏.中南大学 2014
[9]γ-TiAl基合金液态置氢及其对组织和力学性能的影响[D]. 刘鑫旺.哈尔滨工业大学 2011
[10]含Hf铸造钛铝基合金组织细化及其机制研究[D]. 张莉.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]合金化对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金显微组织和力学性能的影响[D]. 赵俊才.湘潭大学 2015
[2]熔铸法制备Nb丝增韧Ti-48Al-2Cr复合材料及组织性能研究[D]. 陈武.哈尔滨工业大学 2013
[3]γ-TiAl基金属间化合物电磁成形定向凝固及组织特性研究[D]. 彭桂林.西北工业大学 2004
本文编号：3025410
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