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TiAl-5Nb合金定向凝固过程中组织演化规律的研究

杨慧敏  
【摘要】:TiAl合金是一种极具潜力的高温结构材料,它的重要发展方向之一是具有单轴应力状态的发动机叶片。为了充分发挥TiAl基合金用于叶片材料方面的优势,期望TiAl基合金以全β凝固方式进行定向凝固,从而获得与生长方向相平行或成45°夹角的片层组织。Nb元素的加入不仅可以提高TiAl合金的高温性能和室温塑性,而且Nb元素的加入对获得全β凝固的TiAl基合金起到十分重要的作用。因此,Nb元素的添加为设计高铝含量的、全β凝固的、可控片层取向的TiAl基合金提供了可能。 本文首先利用Thermo-Calc软件对Ti-Al-Nb三元合金系进行了热力学计算。通过分析Nb含量低于15at.%的TiAl-Nb三元合金系的变温截面图得出,Nb含量分别为5at.%、10at.%和15at.%时,Al含量分别低于52.3at.%、55.8at.%和56.9at.%的TiAl-Nb三元合金的初生相均为β相。将Ti-Al-Nb三元合金系的变温截面图进一步简化得到了Ti-Al伪二元相图,根据Ti-Al伪二元相图得到了TiAl-Nb合金的“铝当量”表达式,为获得全β相凝固的TiAl-Nb三元合金提供了理论依据。 为了进一步确定全β凝固的TiAl-Nb合金的成分范围和验证Ti-Al伪二元相图中全β凝固的成分点,对非自耗电弧熔炼得到的TiAl-Nb合金锭的组织演化规律进行了研究。对于TiAl-5Nb合金锭而言,当Al含量小于或等于48at.%时,其初生相为β相;Al含量大于48at.%时,其初生相为α相。本文综合考虑了Ti-Al伪二元相图和非自耗电弧熔炼的实验结果,同时为了保持TiAl基合金的低密度的特性和获得较好的综合性能,本文确定用于TiAl-Nb合金定向凝固实验的成分为:Ti-45Al-5Nb、Ti-47Al-5Nb和Ti-50Al-5Nb合金。 对Ti-45Al-5Nb、Ti-47Al-5Nb和Ti-50Al-5Nb三种合金分别在6.9K/mm和11.4K/mm两种温度梯度下进行了定向凝固实验。研究发现温度梯度为6.9K/mm的TiAl-5Nb合金的宏观组织的定向效果较差。但是,从其片层取向与生长方向的夹角可以发现,当温度梯度为6.9K/mm时三种成分的TiAl-5Nb合金在凝固过程中的初生相为β相。当温度梯度为11.4K/mm时,Ti-50Al-5Nb合金的宏观组织具有较好的定向效果。通过对温度梯度为11.4K/mm的Ti-50Al-5Nb合金定向凝固组织的研究可知,生长速度小于20μm/s的Ti-50Al-5Nb合金在定向凝固过程中的初生相均为β相。其中,生长速度小于15μm/s时,Ti-50Al-5Nb合金的片层取向大多与生长方向相平行,实现了在高铝TiAl-5Nb合金中的片层取向的控制。因此,通过实验证明了TiAl-5Nb合金在不同的温度梯度和生长速度条件下都可以得到全β凝固。并且在温度梯度为11.4K/mm、生长速度小于15μm/s条件下Ti-50Al-5Nb合金具有较好的片层组织,在高铝的TiAl-5Nb合金中获得了我们所期望得到的定向凝固组织。本文利用成分过冷和充分形核假设(NCU模型),建立了Ti-(44-53)Al-5Nb合金定向凝固过程中的相和组织选择图,计算结果与实验结果吻合很好。


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