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1、-范文最新推荐- 高Nb-TiAl合金定向凝固组织片层取向研究 摘要 本论文以成分为Ti-45Al-8Nb合金作为研究对象，分别在10μm/s、15μm/s、20μm/s的抽拉速率下进行定向凝固，探索了生长速率对高Nb-TiAl合金片层取向的影响及其控制机理。当生长速率为10μm/s、15μm/s时获得单晶，其片层取向与生长方向呈70°左右。而当生长速率为20μm/s时，没有得到单晶，最终的片层取向有两个，分别是45°和60°。最后依据实验结果，我们发现抽拉速率和温度梯度对定向凝固组织得到影响甚大，并讨论分析了产生上述情况的原因，希望
2、为后续的工作提供参考。9545关键词高Nb-TiAl合金定向凝固 生长速率 片层取向 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Control of high Nb-TiAl alloy lamellar orientation in Directional Solidification and Its mechanism.AbstractIn this composition, Ti-45Al-8Nb alloy, as the object of study, was directional solidified at 10μm / s, 15μm / s and 20μ
3、m / s growth rate respectively. And then discussed the influence of growth rate on Nb-TiAl alloy lamellar orientation as well as its control mechanism. We obtain single crystals at the growth speed of 10μm / s and 15μm / s, and both the alloy lamellar orientation were nearly 70°as to the g
4、rowth direction. However, when the alloy was directional solidified at 20μm / s, we failed to get single crystals as it contains two different lamellar orientation, 45°and 60°. We find that growth rate and temperature gradient have great impact on the final microstructure in directional s
5、olidification. Consequently, according to data of the experiment, we analyzed and discussed reasons contributing to what we talked above and hope to provide some valuable information for the next work.Keywordshigh Nb-TiAl alloy directional solidificationgrowth speedlamellar orientation 1 引言1.1 选题意义T
6、iAl金属间化合物中金属键与共价键共存，有可能同时兼有金属的韧性及陶瓷的高温性能。γ-TiAl金属间化合物是一种新型轻质的高温结构材料，不仅具有良好的耐高温、抗氧化性能，而且其弹性模量、抗蠕变性能均优于钛合金，与Ni基高温合金相当, 但密度还不到Ni基合金的一半1。 γ-TiAl具有优异的常温和高温力学性能, 使用温度可达到700 1 000，可使燃烧室及高温蒙皮结构使用的工作温度大增而无需用镍基高温合金，使喷气发动机推重比提高50% 以上，成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料之一，具有重要的工程化应用潜力1-4。此外TiAl合金的应用
7、领域正在扩展,除了叶片外，非转动部件、非受力轮盘、薄板蒙皮等都可能应用。随着科技的发展，TiAl合金需求量和应用领域将不断扩大。经研究发现添加Nb元素可也显著提高TiAl合金的抗氧化性能、高温强度和蠕变强度，使其熔点提高601005。但是由于高Nb-TiAl合金的室温脆性以及较差的室温塑性，限制了其在涡轮机及航空材料应用上的进一步推广。然而这一缺陷可以通过定向凝固技术进行弥补。研究表明，由于全片层组织具有远较其它组织形态为高的断裂韧性, 因而多趋向于选择全片层组织。为了得到这种具有优良性能的全片层组织的试样，将采用定向凝固的手段获得。期望得到的材料显微组织有两种：(a)柱状晶的片层取向一致；(
8、b)各柱状晶的片层相互之间成一定的角度，如图1-1所示6。定向凝固技术可分为籽晶法和非籽晶法，但是由于籽晶法的应用条件相对苛刻，且非籽晶法（合金化、控制凝固参数、改变凝固路径等）比较容易控制，因而多采用非籽晶法进行定向凝固。本文采用定向凝固技术，建立适当的温度梯度、以一定的抽拉速率，期望得到取向一致的全片层组织或柱状晶，提高其室温塑性、断裂韧性，从而扩大其应用范围。因而掌握定向凝固的机理，如何控制片成取向以大大提高TiAl合金的使用性能成为了研究的重点。综上所述，本文运用受控凝固设备采用定向凝固（非籽晶法）技术探索控制片层取向控制机理,为定向凝固TiAl合金的应用，提高其室温力学性能提供了工艺
9、参考和实验依据。 研究表明，两相片层TiAl合金的力学性能很大程度上取决于承载方向和片层取向的夹角。对具有单一取向的全片层晶体(PST)的力学性能试验表明：其力学性能取决于片层取向和加载轴方向的夹角(如图1-2所示)6。我们可以看出，当外加载荷垂直于片层方向时，即夹角为90°时屈服强度虽最高，而延伸率极低，几乎为零；当夹角为0°时，显示出较高的拉伸强度，尽管此时并没有90°的情况下高，但是其延伸率大大提高。综合而言，外加载荷平行于片层界面可以获得最佳的强度与塑性的综合。图1-2 PST晶体屈服强度、塑性随片层与应力轴方向夹角的变化1.2.2 TiAl合金相图TiAl合金
10、凝固相图是我们了解其组织与性能的重要工具，通过相图可以知道该合金有哪些组织，存在几种反应（如合金熔点，某成分合金冷却时的凝固过程），从而能够为选择合适的成分材料、适当的凝固的途径提供重要参考。随着科技的发展和人们对TiAl合金研究的不断深入，Ti-Al二元相图不断得到完善，如图1-3所示。从Ti-Al相图可知，在TiAl当量成分附近存在着两个包晶反应：L+β→α和L+α→γ。无序的α相可以通过共析反应生成有序α2相和γ相。同时，TiAl2相可以通过包析反应由δ相和γ相生
11、成，而且δ相在较低温度时可以发生共析分解生成TiAl2相和TiAl3相。根据不同的合金成分，接近平衡条件下的合金从液相凝固可以分为三种不同的凝固路径分别为：β相凝固、α相凝固和γ相凝固12。图1-3 TiAl合金二元相图1.2.3 定向凝固技术定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。经研究发现，片层组织的TiAl合金具有较高的力学性的，其片层的取向通
12、常由定向凝固来控制13-14。 非籽晶法主要是通过微量元素的合金化法来改变凝固途径的方法来弥补籽晶法的不足。在TiAl合金加入第三种元素可以改变其二元合金相图某相区的形状或范围（扩大或缩小），从而可以改变合金凝固的途径，控制初生相的形成。定向取向的全片层组织虽然具有较高的高温强度和断裂韧性，但通常呈现粗大的晶粒尺寸，于塑性非常不利，而且用籽晶制备的PST 晶体只由一个单向片层的晶粒构成如图1-1(a)所示，其片层组织在力学性能上的各向异性太强，承载方向对片层界面方向的某些偏离，即引起性能的明显下降。解决此问题的一个途径是通过非籽晶法的定向凝固，使所有片层平行于承载方向，同时，使每个柱晶晶粒沿锭
13、纵轴转动，使其具有不同的在X-Y 面上的侧向取向以改善偏轴的性能，如图1-1(b)所示1,6。用此方法制备平行于生长方向的具有细化组织全片层的γ-TiAl坯锭，在一般情况下是不可能的，目前主要是通过微量元素的合金化改变凝固途径进行探索，比如添加Nb、Mo等β稳定性元素，可使β的液相线向高铝含量方向移动6,18。总之，相对于籽晶法而言，非籽晶法具有操作简单、易于控制的优点，故实验通常采用后者。1.3 高Nb-TiAl合金的研究现状TiAl基合金的研究开始于上世纪五十年代初期， Duwez等人首次报导了TiAl二元系合金中存在TiAl相，并测定出该相的CuAu型(L
14、10)有序结构及其固溶范围和晶格常数与Ti/Al比的关系。1956年，美国学者McAndrew和Kesslerb报导了Ti-50Al合金的力学性能进行研究发现该合金在950°C时具有优良的抗氧化性能和抗蠕变性能，然而由于其室温塑性较低，当时未能引起人们的重视12。虽然一些学者开展了对TiAl基合金力学性能的研究，但由于各种原因TiAl基合金并没有被作为工程合金而得到发展。直到八十年代末，美国GE公司的Huang博士发展了第二代TiAl基合金并证明了该合金具有优良的综合力学性能19。此后，在全世界范围内掀起了TiAl基合金的研究热潮。 (5)α→α2&g
15、amma;共析转变温度升高；(6)含Nb约大于 9.5时，出现βαγ三相区。同时还证明了Nb在显著提高了TiAl合金抗氧化性和高温力学性能（图1-6）的同时还保持了其低密度的特性。图1-6Nb和Al含量对TiAl-Nb合金高温强度的影响241.3.2 高Nb-TiAl合金高温性能目前钛铝合金的室温塑性和断裂韧性较低，在700以上抗高温蠕变和抗氧化性能较差，可通过改善其组织，使之成为γ+α2的两相组织，适当提高高温综合性能，前期研究结果表明高铌钛铝合金比普通钛铝合金的熔点高约60100，室温屈服强度高约一倍，900时的屈服强度高约130200 MPa25。(1) 高温抗氧化性合金化和表面处理是改善TiAl合金高温抗氧化能力的重要途径，Shida等26把应用于TiAl的合金元素分为3类：最有利的合金元素（如Nb，Mo，W，Si，C，B）、中等合金元素和有害合金元素。其中Nb被认为是改善TiAl合金高温抗氧化能力最有效的元素，而且随着合金中Nb含量
