電磁冷坩堝定向凝固Ti44Al6Nb1Cr2V-(B,Y)合金組織與力學(xué)性能.pdf

1、TiAl基合金具有輕質(zhì)高比強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，有望在600℃-1000℃部分替代Ni基高溫合金。但是TiAl基合金存在著室溫塑性差、難加工等缺點(diǎn)，嚴(yán)重地制約著該合金的廣泛應(yīng)用。TiAl基合金中添加高含量鈮后，其使用溫度和高溫強(qiáng)度更高。然而大量Nb元素及其他合金元素的加入，提高了合金熔點(diǎn)，使得該合金的加工制備更加困難，形成較多的B2相也可能進(jìn)一步降低鑄態(tài)合金的室溫塑性。冷坩堝定向凝固技術(shù)解決了這些問題，采用此技術(shù)可以制備出

2、大尺寸、無污染、均勻無缺陷、組織定向的TiAl基合金坯錠，具有更佳的單向力學(xué)性能，適合于加工成航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等部件。本文主要圍繞著兩種高鈮TiAl基合金Ti44Al6Nb1Cr2V(1＃合金)和Ti44Al6Nb1Cr2V0.1B0.15Y(2#合金)及電磁冷坩堝定向凝固技術(shù)，對(duì)B和Y元素合金化，冷坩堝定向凝固兩合金的凝固過程、組織演化規(guī)律、室溫和高溫力學(xué)性能等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　對(duì)不同B、Y含量的小鑄錠研究發(fā)現(xiàn)，B、Y可

3、有效細(xì)化組織，形成的化合物主要以Al2Y、Y2O3(少量)、TiB形式存在。當(dāng)Y添加量0.3％-0.5%時(shí)，還可以檢測(cè)出AlY相和Al3Y5相。其中，Al3Y5相具有六方結(jié)構(gòu)，一部分TiB相為斜方結(jié)構(gòu)，其余的均為立方結(jié)構(gòu)。除Y2O3外，其他含B、Y沉淀相多與周圍基體存在取向關(guān)系。這些化合物多分布于晶界處。添加少量B、Y可改善合金室溫力學(xué)性能，Y在0-0.5%時(shí)，室溫壓縮和拉伸性能基本隨著Y的增加而提高，B在0-0.15%時(shí)，力學(xué)性能的變

4、化趨勢(shì)相同。B、Y同時(shí)添加時(shí)，力學(xué)性能的增加幅度較大，所研究的合金中Ti44Al6Nb1Cr2V0.15Y0.1B的力學(xué)性能最佳，其室溫壓縮強(qiáng)度可達(dá)2294MPa，室溫拉伸強(qiáng)度高達(dá)555MPa，室溫延伸率可達(dá)0.72%。
　　對(duì)兩合金分別進(jìn)行冷坩堝定向凝固實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較低的抽拉速度(0.3-0.5mm/min)和適中的電源功率(45kW)有助于獲得定向組織，定向效果較好的坯錠具有高比例的小角度片層、均勻的組織和較小的片層厚度。少量B

5、、Y元素的添加導(dǎo)致2#合金較1#合金的定向凝固窗口縮小，柱狀晶明顯細(xì)化，片層角度稍有提高，片層厚度略有減小，組織中存在少量的含B、Y沉淀相和相對(duì)較多的塊狀γ相。片層厚度與抽拉速度存在d=aV-b(b>0)的函數(shù)關(guān)系，硬度與片層厚度存在HN=kd-b(b>0)的函數(shù)關(guān)系。同一合金中B2相和γ相的納米硬度變化不大，但1#合金中兩相的硬度要高于2#合金的。定向凝固兩合金的室溫拉伸性能、三點(diǎn)彎曲性能、斷裂韌性、高溫拉伸性能顯著提高。定向凝固1#

6、合金900 ℃下的高溫拉伸強(qiáng)度可超達(dá)520MPa，孔洞是導(dǎo)致高溫拉伸高延伸率的主要因素，高溫拉伸斷口出現(xiàn)明顯的韌窩特征。B、Y合金化提高了力學(xué)性能穩(wěn)定性。
　　熱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷坩堝定向凝固合金在相同壓縮條件下，具有更高的流變應(yīng)力。經(jīng)本構(gòu)推導(dǎo)，定向凝固合金具有較強(qiáng)的高溫變形抵抗能力，且1#合金的變形抵抗能力要高于2#合金的，計(jì)算得到定向凝固1#合金徑向上的變形激活能Q≈729.6KJ/mol，2#合金的為Q≈689.8KJ/m

7、ol，說明少量B、Y的添加在一定程度上損失了一部分高溫性能。受到柱狀晶和片層取向的影響，軸向應(yīng)力要明顯高于徑向的，暗示軸向上具有更高的變形抵抗能力和蠕變抵抗能力。軸向壓縮時(shí)出現(xiàn)明顯的剪切變形特征，當(dāng)變形量較高時(shí)，出現(xiàn)剪切帶，殘留片層大多平行于剪切帶分布，也可以觀察到高度扭折的片層結(jié)構(gòu)。根據(jù)孿晶行為推測(cè)合金的中B2/β有序化轉(zhuǎn)變溫度介于1200℃-1250℃之間；在一定壓縮條件下，組織中可形成大量厚度極小的次生片層，有些區(qū)域的片厚度可達(dá)納