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TiB_2及Ni对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金凝固组织与性能的影响

韩建超  
【摘要】:Ti-48Al-2Cr-2Nb合金作为一种铸造Ti Al合金,具有高比强度和比模量,良好的高温抗氧化及断裂抗性等优点,在航空航天工业及汽车工业领域中极具应用前景。但是Ti-48Al-2Cr-2Nb合金铸态组织为粗大柱状晶组织,影响了其力学性能的发挥,并导致了力学性能的各向异性。如何细化铸态组织晶粒尺寸,获得均匀的等轴组织是当前铸造Ti Al合金的研究热点。本文通过在熔炼过程中添加Ti B2及Ni来控制合金凝固组织并改善其力学性能与成形能力,对凝固组织演化、组织细化机理、力学性能及熔模精密铸造等方面进行了系统的研究。采用真空非自耗电弧熔炼制备了不同Ti B2含量的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,研究结果表明随Ti B2含量的增加,合金铸态显微组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶,添加0.3%(原子比,下同)及以上的Ti B2时合金晶粒尺寸细化至200μm。等B含量的单质B和Ti B2对合金的晶粒细化效果一致,但是添加单质B的合金铸态组织中存在气孔缺陷。合金中的硼化物均为C32结构的Ti B2颗粒,共有片状、块状和杆状三种形貌,均为原始添加的Ti B2颗粒溶解-再析出的产物。片状Ti B2颗粒为纳米尺度的片状B2相和Ti B2平行排列组成,两相具有特定位向关系:[1(?)1(?)]TiB2//[011]B2,(1(?)12)TiB2//(0(?)2)B2,是L→β+Ti B2共晶反应的产物。这种含β/B2相的片状Ti B2对α相的辅助形核作用和和固-液前沿B原子引发的成分过冷是此类含Ti B2的Ti Al合金晶粒细化的主要机理。采用水冷铜坩埚感应凝壳熔炼工艺(ISM)制备含Ti B2的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金,研究结果表明0.4%及以上的Ti B2添加使合金显微组织由粗大的柱状晶组织转变为细小等轴晶组织,晶粒尺寸由700μm细化至100μm,片层尺寸由400nm细化至185nm以下。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的拉伸性能和断裂韧性均表现出显著的各向异性,硬取向试样具有最高的室温拉伸强度(600MPa)和断裂韧性(20.89 MPa·m1/2),而软取向试样则表现较差。T4822-0.4Ti B2合金的综合力学性能表现较好,提出了Ti B2细化的Ti Al合金中桥连韧化、片状硼化物致裂纹弯曲和杆状硼化物桥连作用三种韧化机制。在高冷却速率下合金的显微组织和硼化物尺寸得到细化,中速冷却时(1.2×103 K/s)合金力学性能最好,T4822-0.4Ti B2合金室温拉伸UTS达到550MPa,εf为0.36%。适量的Ti B2可以提高Ti Al合金熔体的流动性。研究了Ni合金化对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金显微组织和性能的影响,结果表明3.0%以上Ni元素的添加使合金显微组织由粗大柱状晶转变为等轴晶,片层团尺寸由700μm细化至50μm。Ni元素的添加导致了六方结构的τ3相的形成和块状γ相的增多。τ3相和块状γ相的体积分数随Ni含量增加而增多,T4822-4.0Ni合金中两相的体积分数分别达到7.9%和39.5%。富镍τ3相的纳米硬度值达到8.6GPa,远高于片层团和块状γ相的硬度值。T4822-0.5Ni合金表现出良好的室温拉伸强度,UTS达到630MPa,但是εf为0.15%,较基体合金降低15%。随着Ni含量增加,含镍Ti Al合金的室温拉伸性能呈下降趋势,合金中硬而脆的τ3相应是其低温拉伸强度有所提高而塑性较差的原因。Ni合金化提高了合金高温拉伸的εf,同时降低了合金的韧脆转变温度。T4822-0.5Ni合金表现出最高的室温断裂韧性,KIC达到20.5 MPa·m1/2,但是随着Ni含量进一步增加断裂韧性反而降低,T4822-4.0Ni合金的KIC仅为11.74MPa·m1/2。1380℃/30min/炉冷的热处理可以有效消除含镍Ti Al合金中的块状γ相,τ3相在热处理过程中发生熔化反应:τ3+γ→α+L,Ni元素除固溶在基体合金中以外还以微米尺度的杆状和不规则形状的τ3重新在片层界面和晶界处析出,热处理后合金的拉伸性能得到提高。适量的Ni元素可以提高Ti Al合金熔体的流动性。结合前文Ti B2和Ni元素对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织和性能的研究结果,确定Ti B2及Ni的最佳添加量分别是0.4%和0.5%。采用ISM工艺制备Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.5Ni-0.4Ti B2合金,铸态组织由片层团、块状γ相和τ3相组成,平均晶粒尺寸为100μm,片层尺寸达到210nm。该合金的力学性能较基体显著改善,主要归因于组织的细化和均匀化,以及少量的τ3相和块状γ相。采用工业级20kg水冷铜坩埚感应凝壳熔炼设备成功浇注出无缺陷的T4822-(Ni,Ti B2)合金弯管构件,铸件的室温和高温拉伸性能表现优异,室温UTS和εf分别为590MPa和0.55%,700℃时UTS和εf分别达到565MPa和2.23%。


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