定向凝固γ-TiAl基合金片層取向控制.pdf

1、以γ-TiAl金屬間化合物為基的合金由于具有低密度、高彈性模量、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗氧化性，是一種極具潛力并且人們寄予厚望的高溫結(jié)構(gòu)材料。特別是由γ相和少量α2相所形成的全片層組織材料，顯示出良好的室溫與高溫綜合性能。由于這種合金的各向異性，當(dāng)片層取向合適時(shí)，使其更適合于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等只承受一維載荷的場(chǎng)合。如何獲得按一定方向排列的片層組織，是多年來(lái)許多專(zhuān)家學(xué)者所致力研究的課題。采用籽晶法定向凝固來(lái)控制片層組織的排列方向是一種比較成功的方

2、法。
　　本文首先根據(jù)片層組織力學(xué)性能的各向異性的特點(diǎn)建立了片層最大承載方向的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出了不同組織狀態(tài)下片層的最大承載方向。得出了當(dāng)γ+α2片層組織中α2相的折算分?jǐn)?shù)大于30％時(shí)，其最大承載方向?yàn)槠叫杏谄瑢咏M織方向的結(jié)論。這為指導(dǎo)本文進(jìn)行γ-TiAl基合金的定向凝固實(shí)驗(yàn)研究，以獲得平行于生長(zhǎng)方向的片層組織提供了理論依據(jù)。
　　本文提出了利用冷坩堝制備籽晶的新方法。由于冷坩堝的激冷能力強(qiáng)，可以制備出尺寸較大的籽晶。同時(shí)由于

3、定向凝固實(shí)驗(yàn)與與籽晶制備使用同一個(gè)冷坩堝，這就為原位籽晶定向凝固新技術(shù)創(chuàng)造了必要的條件。
　　采用剛玉管作鑄型進(jìn)行了籽晶法定向凝固實(shí)驗(yàn)，對(duì)定向凝固片層組織的取向進(jìn)行了控制，制備出了片層組織取向與籽晶原始取向一致并平行于定向凝固方向的試樣。經(jīng)顯微組織觀察，片層組織能在整個(gè)定向凝固區(qū)間內(nèi)保持與定向凝固方向平行生長(zhǎng)長(zhǎng)度達(dá)50mm的片層組織。成功地利用剛玉管籽晶定向凝固法實(shí)現(xiàn)了γ-TiAl基合金片層組織取向的控制。
　　在用冷坩堝進(jìn)

4、行定向凝固中，發(fā)現(xiàn)其晶體生長(zhǎng)機(jī)理與現(xiàn)有的籽晶法定向凝固完全不同。由于初始成分過(guò)渡區(qū)的存在，有可能使籽晶完全失去作用。為此，本文提出了消除定向凝固初始成分過(guò)渡區(qū)的方法——成分調(diào)整法。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)研究和成分組織分析，解決了消除初始成分過(guò)渡區(qū)的技術(shù)難點(diǎn)，從而消除了初始成分過(guò)渡區(qū)。實(shí)現(xiàn)了定向凝固從一開(kāi)始就可以進(jìn)入穩(wěn)定生長(zhǎng)狀態(tài)，解決了開(kāi)始部位的組織、成分與穩(wěn)定生長(zhǎng)組織、成分不一致的難題。
　　結(jié)合成分調(diào)整技術(shù)，采用本文提出的冷坩堝原位籽晶定

5、向凝固法，對(duì)Ti-46at%Al-1.5at%Mo-1.2at%Si合金片層組織的取向控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。將制備的籽晶直接用于定向凝固實(shí)驗(yàn)，集籽晶制備與定向凝固片層組織控制于一體。使原來(lái)由籽晶制備、籽晶加工和定向凝固三步構(gòu)成的工藝，合并成一步進(jìn)行，從而顯著簡(jiǎn)化了整個(gè)工藝過(guò)程，并省去了傳統(tǒng)制備籽晶工藝中的籽晶切取過(guò)程，避免了由此帶來(lái)的污染，這會(huì)給以后的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用冷坩堝原位籽晶定向凝固法必須進(jìn)行成分調(diào)