冷坩堝定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb組織與持久性能研究.pdf

1、Ti Al基合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度和高溫抗氧化性能以及抗高溫蠕變性能，使其成為航空航天結(jié)構(gòu)件的潛在選用材料之一，不斷提高Ti Al基合金的高溫力學(xué)性能是保證其安全可靠使用的關(guān)鍵因素之一。高溫持久強(qiáng)度是衡量結(jié)構(gòu)材料在高溫條件下安全使用可靠程度的重要指標(biāo)之一，然而目前有關(guān)Ti Al基合金組織對(duì)高溫持久性能影響的研究還相對(duì)較少，不利于對(duì)Ti Al基合金高溫使用性能的綜合預(yù)估，因此深入研究其高溫持久強(qiáng)度和預(yù)測(cè)持久壽命對(duì)Ti Al基合金的研究

2、具有重要的理論和工程意義。
　　本文利用電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)制備了具有定向凝固組織的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金方錠，研究了定向凝固時(shí)抽拉速度變化對(duì)其凝固組織的影響。采用高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的持久性能，繪制持久壽命曲線，并在給定溫度條件下，建立了定向凝固合金的持久強(qiáng)度與高溫抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為TiAl基合金持久壽命預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
　　隨著抽拉速度的提高，定向凝

3、固的固/液界面下凹程度增大，柱狀晶生長(zhǎng)方向與抽拉方向的夾角增大，柱狀晶的二次枝晶臂變得發(fā)達(dá)，但晶粒尺寸和片層間距逐漸減小。抽拉速度與片層間距之間滿足關(guān)系式：
　　隨著抽拉速度的提高，定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的室溫以及高溫拉伸力學(xué)性能均增加。抽拉速度為1.2mm/min時(shí)，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到568MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到1.5％，800℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到458MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到5.1%。抽拉速度為1.0mm/min時(shí)，高溫拉伸

4、強(qiáng)度隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式：σ0=237.85714+1.742000(T-273)-0.001857(T-273)2。對(duì)拉伸試樣的斷口形貌分析表明，斷裂方式由沿著片層面和穿越片層面的混合斷裂組成，無(wú)論室溫還是高溫下其均表現(xiàn)為脆性斷裂，但高溫時(shí)局部微區(qū)會(huì)存在延性斷裂，800℃時(shí)高溫抗拉強(qiáng)度與片層間距的關(guān)系式σb=374.5+0.238λ-0.5。
　　測(cè)定了兩個(gè)溫度不同應(yīng)力狀態(tài)下的定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的高溫持

5、久性能。結(jié)果表明，抽拉速率為1.0mm/min時(shí)持久試樣在650℃/175MPa狀態(tài)下的持久壽命最長(zhǎng)達(dá)到89h，定向凝固試樣的持久壽命遠(yuǎn)高于鑄態(tài)試樣。溫度的升高和應(yīng)力的增加均使試樣持久壽命降低，當(dāng)試驗(yàn)條件相同時(shí)，抽拉速率為1.2mm/mi n的定向凝固試樣其持久壽命最高。斷口形貌分析表明Ti A1基合金的片層組織穩(wěn)定性在很大程度上決定了材料的持久強(qiáng)度高低，層片越密集，其組織穩(wěn)定性越高，持久壽命也增加。定向凝固持久試樣的斷裂方式主要是穿片

6、層斷裂和沿片層的撕裂，這與高溫拉伸的斷裂方式相類似。當(dāng)溫度升高至800℃時(shí)，該合金的持久塑性得到提高。
　　通過(guò)線性回歸方程在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制出應(yīng)力-斷裂時(shí)間曲線，并擬合得到經(jīng)驗(yàn)方程式lnσ=6.209912-0.232990lnt，并依據(jù)此方程外推得到650℃持久時(shí)間為500h時(shí)持久強(qiáng)度值為116.98MPa。應(yīng)用Larson-Miller和Manson-Haferd參數(shù)法建立了持久強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，只需通過(guò)測(cè)試定向凝固Ti-47A