TiAl合金定向片层组织电磁约束制备及力学性能

发布时间：2018-03-24 11:20

  本文选题：TiAl合金　切入点：定向凝固　出处：《西北工业大学》2015年博士论文

【摘要】：TiAl基金属间化合物所具有的密度低、比强度和比弹性模量高、抗氧化性及高温抗蠕变强等优点,使其成为航空、航天、汽车等发动机耐热结构件的理想替代材料,但室温塑性低和热变形能力差等不足制约着其进一步应用。在TiAl合金的各种组织中,由籽晶法定向凝固技术制备的平行于生长方向的定向全片层组织,可以实现抗拉强度和延伸率之间较好的平衡,具有较好的应用前景。但是,TiAl合金熔体的活性很高,几乎能够与所有的陶瓷坩埚发生反应,使得利用Bridgman定向凝固技术很难生产出无污染、高性能的TiAl合金试样。而目前广泛采用的光悬浮区熔定向凝固设备,尽管能彻底避免坩埚材料对合金熔体的污染,但很难制备出较大尺寸的TiAl合金试样。到目前为止,还没有出现一种技术能够实现大尺寸、高性能TiAl合金定向全片层组织的无污染制备。本文的目的是将本课题组特有的“电磁约束定向凝固技术”和“TiAl合金籽晶法”结合起来,形成“Ti Al合金籽晶法电磁约束定向凝固技术”,通过调节工艺参数和凝固条件,制备出无污染、大尺寸、片层组织平行于生长方向的TiAl合金试样,并对其力学性能进行研究和讨论。以此为基础,系统讨论传统籽晶法和准籽晶法的引晶原理,建模并分析两种引晶过程中的溶质再分配及其对定向全片层组织制备的影响。得出的结论如下:利用电磁约束定向凝固技术制备TiAl合金试样,在将试样加热熔化并约束成形的同时,还需要确保凝固组织能够定向、稳定、连续的生长。在分析总结合金材料和试样直径、成形感应器形状、屏蔽罩插入深度、熔区形状和稳定性以及固/液界面形状等多种影响因素的基础下,通过合理控制工艺参数和凝固条件,成功得到直径分别为12.5和16~20 mm、片层组织生长良好的TiAl合金试样。根据传统籽晶法,采用Ti-43Al-3Si合金,经冷坩埚熔炼并浇铸,得到片层取向一致且平行于铸锭轴向、同时具有较好热稳定性的传统籽晶锭。在该籽晶的引晶作用下,当生长速率较低时,在不同直径试样中成功制备出平行于生长方向的Ti-47Al合金定向全片层组织。该组织的室温拉伸强度、延伸率和断裂韧性分别达到693 MPa、10.0%和34.7 MPa·m1/2,优于国内外报道的最高水平,充分说明利用电磁约束定向凝固技术可以制备出无污染、大尺寸、高性能的Ti Al合金定向凝固试样。然而,随着速率的增加,引晶过程中往往容易出现杂晶的形核和生长,从而导致引晶失败,最终只能得到倾斜或垂直于生长方向的定向全片层组织,严重影响了材料的力学性能。首次提出准籽晶法引晶机理,并将其成功的用于制备TiAl合金定向全片层组织。通过合理控制浇注温度和凝固条件,可使初生相为β的Ti-48Al-2Nb-2Cr和Ti-48Al-6Nb-1Cr合金以包晶α相凝固并形成穿晶组织,从而制备出片层取向一致且平行于铸锭轴向的准籽晶锭。当加热速率足够快时,由于γ相的形核和生长受到很大程度的限制,使得这些片层组织具有较好的热稳定性。根据该特性,采用Ti-48Al-2Nb-2Cr和Ti-48Al-6Nb-1Cr合金准籽晶,利用快速加热的方法,最终在一定的抽拉速率下分别制备出与准籽晶合金成分相同、片层取向平行于生长方向的TiAl合金定向全片层组织。充分说明通过准籽晶法定向凝固技术,即使在准籽晶材料并不满足传统籽晶制备要求的情况下,也可以成功制备出理想的TiAl合金定向全片层组织。然而,随着速率的增加,准籽晶法定向凝固过程中同样容易出现杂晶的形核和生长,从而导致引晶失败。通过数学建模,分别分析和探讨了准籽晶法和传统籽晶法定向凝固过程中的溶质再分配,研究了两种籽晶法定向凝固过程中的溶质浓度分布及其变化情况,讨论了在包晶α凝固界面前沿对于初生β相的成分过冷及其变化,从而在一定程度上分别对两种籽晶法定向凝固过程中杂晶的形核和生长机理进行了预测。另外,通过综合分析传统籽晶法定向凝固过程中成分过冷和Si元素对界面稳定性的影响,探讨了在初始引晶阶段固/液界面发生平-枝-胞转变的机理。片层取向对TiAl合金定向全片层组织的力学性能有着重要的影响。当片层取向平行于加载方向时,由于裂纹在扩展过程中受到α2/γ片层边界和α2层片的阻碍作用,试样中出现较多的裂纹扩展机制以及增韧机制,如裂纹尖端钝化、微裂纹形核和二次裂纹以及裂纹桥接等,很大程度上提升了材料的力学性能。然而,当片层组织倾斜或者垂直于加载方向时,试样断裂过程中裂纹扩展机制较小,导致其力学性能较差。
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【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.23
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本文编号：1658070