含鎢鈮多元TiAl合金的物理冶金：凝固控制、熱穩(wěn)定性、表面損傷容限.pdf

1、本文運用物理冶金的基本觀點，研究了含鎢鈮γ-TiAl合金化學成分和冷速對細晶凝固的影響機制。研究發(fā)現，含鎢、鈮多元TiAl合金存在著明顯的晶粒難以均勻細化的特性.其根本的原因是:重金屬W導致嚴重的枝晶偏析和“枝晶間隙粗化”現象，枝晶間隙因富Al而形成粗大包晶晶粒。降低W含量（從1.4at.％到1.0at.％）能夠明顯減少此類合金的晶粒粗化。另外一種改善途徑是通過降低Al含量來減少包晶，以求獲得更多的β初晶，從而通過固態(tài)相變的“多向形核”

2、機制細化晶粒。在不同冷速下，鑄棒的晶粒尺寸沿直徑分布均呈現典型的“M”型特征:由表及里為表層細晶，過渡區(qū)急劇粗化，心部再適度降低粗化的總體趨勢。冷速快，晶粒沿鑄棒直徑分布差異因過渡區(qū)晶粒粗化反而增大。這和后凝固的液體富Al，導致包晶反應有關。
　　全面評估了含鋁量為46at.％的中強度粗晶（46Al）、含鋁量為44at.％的高強度細晶(44Al)兩種含鎢鈮多元TiAl合金在700℃，10000小時熱暴露時的組織熱穩(wěn)定性。通過系統(tǒng)的

3、顯微分析，揭示出三種組織褪變:a）α2層片的“平行分解”和“垂直分解”，b）α2層片“原位分解”為B2+ω顆粒，c）ω顆粒在β晶粒中的析出和長大。它們依次分屬α2→γ，α2→β(B2+ω)，β→ω相變。研究發(fā)現，含硼合金44Al因α2層片的體積分數較高且較厚，熱暴露時有較強的“平行分解”趨勢，而不含硼的合金46Al“平行分解”不明顯。此α2→γ轉變在含鎢TiAl合金中并未導致α2嚴重損失，但兩種合金的α2層片卻因廣泛發(fā)生的α2→β(B2

4、+ω)原位分解而損失嚴重，由此形成大量β(B2+ω)針狀顆粒。合金44Al因有比合金46Al明顯多的α2層片，形成的β(B2+ω)顆粒也較多。在長期熱暴露過程中，ω會在母相β(B2)中不斷析出、長大，達到亞微米尺寸，并與母相之間有重金屬元素W和Nb的短程擴散交換。細晶合金因有比粗晶合金更多的晶界和晶界上的β(B2+ω)晶粒，ω顆粒的析出和粗化也更明顯。
　　本文進一步探索了這兩種含鎢TiAl合金在不同內部組織狀態(tài)和不同表面質量時的

5、力學行為特征，以探索此類含鎢合金在高溫長期服役時對表面缺陷的容忍限度。
　　改善試樣的表面狀態(tài)（包括降低粗糙度和引入壓應力）可以一定程度改善合金的性能，具體改善程度和合金的強度級別密切相關。在應力控制型交變載荷下，這兩種改善型表面均需要一個裂紋萌生階段。高強度的合金44Al因為屈服強度高，裂紋萌生在σmax＜σ0.1的受力條件下不易發(fā)生，因此改善表面狀態(tài)會明顯改善疲勞抗力。相反，合金46Al在粗大晶團處，特別是在軟位向的層片上，容

6、易形成σmax＞σ0.1的局部異常情況，導致裂紋早期萌生，其改善表面質量的效果并不顯著。
　　整體熱暴露給兩種合金均帶來因長期退火導致的熱暴露強化和因組織褪變導致的熱暴露脆化。對于細晶合金44Al，由于含較多α2層片和較多晶界B2+ω，熱暴露組織脆化的有害效應較大，各種表面的疲勞強度出現下降。相反，粗晶合金46Al因α2層片較少，晶界B2+ω也少，熱暴露強化效應大于負面的熱暴露脆化效應，整體熱暴露后各種表面樣品的疲勞強度出現一定程

7、度的增加。
　　試樣單體熱暴露+氧化對兩種合金的缺陷樣品的疲勞強度均無危害，但明顯降低改善型表面的疲勞抗力。單體熱暴露+表面氧化對缺陷表面（線切割，V型缺口）有一額外的正面效應:釋放近表層的殘余拉應力;而對改善型表面，有一額外的負面效應:使噴丸表層的壓應力層逐漸減弱，使電解拋光表面褪化。特別值得注意的是，線切割形成的V型缺口在三種熱暴露狀態(tài)下，均產生相近的疲勞缺口系數Kf和疲勞缺口敏感系數Q。這表明，疲勞行為由V型缺口本身的幾何形