電磁冷坩堝定向凝固α2-γ片層TiAl基坯錠組織與性能.pdf

1、由于γ-TiAl基合金具有密度相對較小、比強(qiáng)度和比剛度大、耐熱和優(yōu)異的抗氧化性能以及良好的高溫性能,是一種優(yōu)秀的輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)材料,在提高航空航天飛行器的工作效率,包括提升發(fā)動機(jī)的工作溫度、減小飛行器自重,延長工作壽命等方面具有很大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。然而TiAl金屬間化合物的室溫塑性與斷裂韌性不足,是限制擴(kuò)大其實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。在典型的四種TiAl基合金室溫組織中,由γ-TiAl相和α2-Ti3Al相所組成的全片層組織兼?zhèn)漭^好的室溫

2、韌性和高溫強(qiáng)度,如果能夠提高其室溫塑性,將極大促進(jìn)其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。對于全層片TiAl基合金,力學(xué)性能上具有較強(qiáng)的各向異性。當(dāng)片層的取向與加載軸方向平行或成一定傾斜角度時,會使該類合金的塑性得到較大程度的提高。目前,定向凝固技術(shù)已經(jīng)成為控制片層取向分布的主要途徑之一,但是TiAl合金熔體活性很高,采用傳統(tǒng)定向凝固很難避免其不與陶瓷坩堝發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),最終導(dǎo)致TiAl合金受到雜質(zhì)污染,對提高TiAl基合金的室溫塑性不力。因此,本文采用本

3、課題組發(fā)明的電磁冷坩堝定向凝固技術(shù),制備了一批橫截面為方形的定向凝固γ-TiAl基合金坯錠,在有效防止傳統(tǒng)定向凝固坩堝材料污染合金的同時成功地控制了兩種γ-TiAl基合金的片層取向。
　　首先采用數(shù)值模擬的方法,考察了電磁冷坩堝定向凝固工藝中所涉及的電磁場和流場的相關(guān)場量變化規(guī)律,為定向凝固γ-TiAl基合金坯錠的制備提供理論指導(dǎo)。然后選取Ti-46Al-0.5W-0.5Si與Ti-47Al-2Cr-2Nb兩種典型合金進(jìn)行了定向凝

4、固實(shí)驗(yàn),研究了有關(guān)因素,包括成分、凝固參數(shù)、流動等對其宏觀和微觀組織的影響規(guī)律。闡明了定向凝固組織尺度特征與凝固參數(shù)之間的定量關(guān)系,探討了控制定向凝固γ-TiAl基合金片層取向的影響因素及方法。最后分析了定向凝固Ti-46Al-0.5W-0.5Si與Ti-47Al-2Cr-2Nb合金組織與力學(xué)性能的關(guān)系。
　　電磁冷坩堝定向凝固過程中,由于受電磁力的作用,γ-TiAl基合金熔體內(nèi)部形成了渦旋狀的流動,其流動速率隨功率增加而增加。由

5、于液相流動的存在,導(dǎo)致γ-TiAl基合金定向凝固過程中出現(xiàn)了柱狀晶迎流生長的現(xiàn)象,同時,功率增加,電磁攪拌力增強(qiáng),熔體流動速率也在增加,形核率增加,從而使得晶粒變得越來越細(xì)小。當(dāng)加熱功率足夠大時,由于液相流動過快,會導(dǎo)致定向凝固γ-TiAl基合金的柱狀晶發(fā)生CET轉(zhuǎn)變。
　　電磁冷坩堝定向凝固γ-TiAl基合金坯錠的固液界面呈下凹且中間大部分比較平坦的曲面,與之垂直的柱狀晶的生長方向能基本保持與生長方向一致。隨抽拉速度的減小與加熱

6、功率的增加,固液界面變得更加平直,進(jìn)一步減小了柱狀晶與試樣中軸線的偏離角。隨抽拉速度與加熱功率的增加,柱狀晶粒變得越來越細(xì)小。對于Ti-46Al-0.5W-0.5Si,一次枝晶間距λD與凝固速率和溫度梯度之間滿足關(guān)系:λD=1.81×10-5v-1/4與λD=3.8×10-2G-1/2;對于Ti-47Al-2Cr-2Nb,一次枝晶間距λD與凝固速率和溫度梯度之間滿足關(guān)系:λD=2.62×10-5v-1/4與λD=2.78×10-2G-1

7、/2。
　　電磁冷坩堝定向凝固γ-TiAl基合金的片層取向有三個條件必須滿足,即保證初生相為全部β相析出,實(shí)現(xiàn)完全的包晶轉(zhuǎn)變以及控制β相枝晶的熱力學(xué)穩(wěn)定生長方向。由于電磁冷坩堝定向凝固過程無污染,使得α相穩(wěn)定元素O的含量很低,部分阻止了α相從液相中直接析出,并且在電磁冷坩堝定向凝固的較高溫度梯度作用下,配合較低的凝固速率,保證β相枝晶傾向于熱力學(xué)穩(wěn)定的<100>β方向生長,最終促使柱狀晶中的片層取向與坯錠生長方向平行及呈一定傾斜角

8、度。片層間距與凝固速率和溫度梯度呈反比關(guān)系。對于Ti-47Al-2Cr-2Nb,片層間距λ與凝固速率和溫度梯度之間滿足關(guān)系:λ=1.9×10-5v-0.26與λ=4.11×10-4GS-0.48。合金氧含量的變化也會造成片層間距的改變,增加氧含量在一定程度上減小了片層間距。
　　通過對一系列凝固參數(shù)的調(diào)節(jié),Ti-46Al-0.5W-0.5Si與Ti-47Al-2Cr-2Nb經(jīng)采用電磁冷坩堝技術(shù)定向凝固后,拉伸力學(xué)性能尤其是室溫延伸

9、率得到很大提高。Ti-46Al-0.5W-0.5Si試樣室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到500MPa以上,室溫延伸率平均達(dá)到2％, Ti-47Al-2Cr-2Nb試樣室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到650MPa以上,室溫延伸率全部達(dá)到3%以上。測試結(jié)果表明Ti-46Al-0.5W-0.5Si與Ti-47Al-2Cr-2Nb的維氏硬度HVm與片層間距λ之間滿足關(guān)系:HVm=324+0.15λ-0.5與HVm=46+0.62λ-0.5,而其斷裂韌性KIC與片層間距λ之間滿