高Nb-TiAl合金的冷坩堝定向凝固傳熱特性及組織與性能.pdf

1、TiAl基合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫抗氧化性和抗蠕變性等優(yōu)點(diǎn),在航空航天以及汽車領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而,由于TiAl合金熔體的高活性、室溫脆性以及片層取向控制困難等問(wèn)題,制約了其工程化發(fā)展。冷坩堝定向凝固技術(shù)不僅可避免了TiAl合金熔體污染,而且可實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)尺寸定向組織的鑄錠制備,極具發(fā)展意義。
　　本文首先系統(tǒng)分析了定向凝固用冷坩堝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,建立了冷坩堝電磁場(chǎng)3-D有限元模型,考察了各因素對(duì)坩堝內(nèi)磁場(chǎng)分

2、布的影響,發(fā)現(xiàn)通過(guò)增大開(kāi)縫區(qū)截面積、調(diào)整壁厚和減小電流頻率等手段可以有效增加坩堝內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度。提出了磁場(chǎng)均勻性指數(shù)U,發(fā)現(xiàn)減小壁厚和降低頻率有利于改善內(nèi)腔邊壁的磁場(chǎng)均勻性,獲得同一高度較好的電磁推力均勻性。以此為基礎(chǔ),優(yōu)化設(shè)計(jì)并制造出36mm×36mm方形內(nèi)腔定向凝固用冷坩堝,性能評(píng)估表明,此坩堝擁有更大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
　　系統(tǒng)分析了冷坩堝定向凝固各個(gè)階段的傳熱行為與特點(diǎn),指出糊狀區(qū)的傳熱是影響定向組織生長(zhǎng)的核心因素。建立了簡(jiǎn)化的

3、糊狀區(qū)傳熱物理模型,揭示了糊狀區(qū)傳熱和晶粒生長(zhǎng)取向的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,分別推導(dǎo)出了糊狀區(qū)內(nèi)的軸向和徑向溫度分布函數(shù),并討論了糊狀區(qū)無(wú)徑向熱流的條件。進(jìn)一步,提出了糊狀區(qū)軸-徑熱流密度比K的概念。K值越大,軸向熱流越占主導(dǎo),有利于獲得平直化的凝固界面。推導(dǎo)出了凝固界面形狀函數(shù),并針對(duì)Ti-46Al-6Nb合金,計(jì)算分析了溫度梯度GL、加熱頻率f和抽拉速度u對(duì)K值和h0L(r)的影響規(guī)律和機(jī)制,發(fā)現(xiàn)通過(guò)提高GL,增大f和減小u可以有效增大K

4、值和促進(jìn)凝固界面的平直化。
　　建立了在一定抽拉速度u下,冷坩堝定向凝固中熔池的能量守恒關(guān)系,并推導(dǎo)出一定抽拉速度u時(shí)的熔池動(dòng)平衡穩(wěn)態(tài)溫度T′m和抽拉前穩(wěn)態(tài)溫度Tm之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)表達(dá)式可知,當(dāng)u→+∞時(shí),T′m→TL,說(shuō)明抽拉速度越快,熔池溫度越接近液相線溫度TL,過(guò)熱度越小;當(dāng)u→0時(shí),T′m→Tm,說(shuō)明抽拉速度越慢,熔池溫度越接近抽拉前穩(wěn)態(tài)溫度,過(guò)熱度下降越小。
　　設(shè)計(jì)了真空環(huán)境防電磁屏蔽的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)冷坩堝中物料

5、進(jìn)行測(cè)溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Ti-46Al-6Nb合金的溫度上升速率逐漸減小,物料溫度最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。增加物料高度和提高功率可以增大物料穩(wěn)態(tài)溫度。Ti-46Al-6Nb合金在16kW左右開(kāi)始熔化,建立了熔池?zé)犭娕紲y(cè)量溫度與表面紅外溫度關(guān)系。
　　建立了冷坩堝定向凝固Ti-46Al-6Nb合金2-D溫度場(chǎng)有限元模型,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的合理性。計(jì)算分析了各因素對(duì)Ti-46Al-6Nb合金溫度場(chǎng)的影響規(guī)律和機(jī)理。增大加熱功率、合適的頻

6、率、減小側(cè)向綜合換熱系數(shù)和提高物料高度時(shí),熔池體積擴(kuò)大且過(guò)熱度增加。過(guò)低或過(guò)高的頻率都難以使物料熔化。有關(guān)影響因素之間合理的匹配可以獲得較為平直的凝固界面。
　　驗(yàn)證了前面提出和建立的傳熱模型的正確性,并制備出了晶粒取向良好的Ti-46Al-6Nb-(B)合金定向組織鑄錠。闡明了加熱功率和抽拉速度對(duì)熔池體積、凝固界面形貌和晶粒生長(zhǎng)形態(tài)的影響,并建立了冷坩堝定向凝固工藝窗口圖?？疾炝伺鹪貙?duì)宏觀組織的影響,發(fā)現(xiàn)微量硼可細(xì)化柱狀晶和改

7、變先析出相,多量的硼使組織等軸化。分析了鑄錠的宏觀偏析機(jī)制,發(fā)現(xiàn)Al溶質(zhì)隨著抽拉距離的增加而增加。研究了鑄錠的微觀形貌和顯微偏析,發(fā)現(xiàn)冷坩堝定向凝固過(guò)程基本消除了鑄態(tài)組織中的α型偏析,且顯著降低了S型和β型的偏析程度。分析統(tǒng)計(jì)了Ti-46Al-6Nb定向組織中的α2/γ片層取向和先析出相,結(jié)合界面響應(yīng)函數(shù)(IRF)討論了先析出相的演化規(guī)律和機(jī)理,發(fā)現(xiàn)組織中的α先析出相比例隨著抽拉速度的增加而增加,同一鑄錠中位置靠上的部分先析出相為α的晶

8、粒比例相對(duì)較大。研究了退火溫度和時(shí)間對(duì)Ti-46Al-6Nb定向組織中顯微偏析和柱狀晶等軸化的影響,發(fā)現(xiàn)β型偏析隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng)和退火溫度的升高而減輕。定向組織在1300℃退火2h后開(kāi)始出現(xiàn)等軸化,更高的溫度和時(shí)間會(huì)使柱狀晶完全等軸化。
　　測(cè)試分析了Ti-46Al-6Nb合金的室溫與高溫拉伸性能,相比于鑄態(tài)組織,定向組織合金的斷裂強(qiáng)度得到明顯提升,室溫和高溫800℃時(shí)最高可分別達(dá)到473MPa和611MPa。定向前后組織的室溫