含鎢鈮多元TiAl合金的物理冶金：凝固控制、熱穩(wěn)定性、表面損傷容限.pdf

1、本文運(yùn)用物理冶金的基本觀點(diǎn)，研究了含鎢鈮γ-TiAl合金化學(xué)成分和冷速對細(xì)晶凝固的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，含鎢、鈮多元TiAl合金存在著明顯的晶粒難以均勻細(xì)化的特性.其根本的原因是:重金屬W導(dǎo)致嚴(yán)重的枝晶偏析和“枝晶間隙粗化”現(xiàn)象，枝晶間隙因富Al而形成粗大包晶晶粒。降低W含量（從1.4at.％到1.0at.％）能夠明顯減少此類合金的晶粒粗化。另外一種改善途徑是通過降低Al含量來減少包晶，以求獲得更多的β初晶，從而通過固態(tài)相變的“多向形核”

2、機(jī)制細(xì)化晶粒。在不同冷速下，鑄棒的晶粒尺寸沿直徑分布均呈現(xiàn)典型的“M”型特征:由表及里為表層細(xì)晶，過渡區(qū)急劇粗化，心部再適度降低粗化的總體趨勢。冷速快，晶粒沿鑄棒直徑分布差異因過渡區(qū)晶粒粗化反而增大。這和后凝固的液體富Al，導(dǎo)致包晶反應(yīng)有關(guān)。
　　全面評(píng)估了含鋁量為46at.％的中強(qiáng)度粗晶（46Al）、含鋁量為44at.％的高強(qiáng)度細(xì)晶(44Al)兩種含鎢鈮多元TiAl合金在700℃，10000小時(shí)熱暴露時(shí)的組織熱穩(wěn)定性。通過系統(tǒng)的

3、顯微分析，揭示出三種組織褪變:a）α2層片的“平行分解”和“垂直分解”，b）α2層片“原位分解”為B2+ω顆粒，c）ω顆粒在β晶粒中的析出和長大。它們依次分屬α2→γ，α2→β(B2+ω)，β→ω相變。研究發(fā)現(xiàn)，含硼合金44Al因α2層片的體積分?jǐn)?shù)較高且較厚，熱暴露時(shí)有較強(qiáng)的“平行分解”趨勢，而不含硼的合金46Al“平行分解”不明顯。此α2→γ轉(zhuǎn)變在含鎢TiAl合金中并未導(dǎo)致α2嚴(yán)重?fù)p失，但兩種合金的α2層片卻因廣泛發(fā)生的α2→β(B2

4、+ω)原位分解而損失嚴(yán)重，由此形成大量β(B2+ω)針狀顆粒。合金44Al因有比合金46Al明顯多的α2層片，形成的β(B2+ω)顆粒也較多。在長期熱暴露過程中，ω會(huì)在母相β(B2)中不斷析出、長大，達(dá)到亞微米尺寸，并與母相之間有重金屬元素W和Nb的短程擴(kuò)散交換。細(xì)晶合金因有比粗晶合金更多的晶界和晶界上的β(B2+ω)晶粒，ω顆粒的析出和粗化也更明顯。
　　本文進(jìn)一步探索了這兩種含鎢TiAl合金在不同內(nèi)部組織狀態(tài)和不同表面質(zhì)量時(shí)的

5、力學(xué)行為特征，以探索此類含鎢合金在高溫長期服役時(shí)對表面缺陷的容忍限度。
　　改善試樣的表面狀態(tài)（包括降低粗糙度和引入壓應(yīng)力）可以一定程度改善合金的性能，具體改善程度和合金的強(qiáng)度級(jí)別密切相關(guān)。在應(yīng)力控制型交變載荷下，這兩種改善型表面均需要一個(gè)裂紋萌生階段。高強(qiáng)度的合金44Al因?yàn)榍?qiáng)度高，裂紋萌生在σmax＜σ0.1的受力條件下不易發(fā)生，因此改善表面狀態(tài)會(huì)明顯改善疲勞抗力。相反，合金46Al在粗大晶團(tuán)處，特別是在軟位向的層片上，容

6、易形成σmax＞σ0.1的局部異常情況，導(dǎo)致裂紋早期萌生，其改善表面質(zhì)量的效果并不顯著。
　　整體熱暴露給兩種合金均帶來因長期退火導(dǎo)致的熱暴露強(qiáng)化和因組織褪變導(dǎo)致的熱暴露脆化。對于細(xì)晶合金44Al，由于含較多α2層片和較多晶界B2+ω，熱暴露組織脆化的有害效應(yīng)較大，各種表面的疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)下降。相反，粗晶合金46Al因α2層片較少，晶界B2+ω也少，熱暴露強(qiáng)化效應(yīng)大于負(fù)面的熱暴露脆化效應(yīng)，整體熱暴露后各種表面樣品的疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)一定程

7、度的增加。
　　試樣單體熱暴露+氧化對兩種合金的缺陷樣品的疲勞強(qiáng)度均無危害，但明顯降低改善型表面的疲勞抗力。單體熱暴露+表面氧化對缺陷表面（線切割，V型缺口）有一額外的正面效應(yīng):釋放近表層的殘余拉應(yīng)力;而對改善型表面，有一額外的負(fù)面效應(yīng):使噴丸表層的壓應(yīng)力層逐漸減弱，使電解拋光表面褪化。特別值得注意的是，線切割形成的V型缺口在三種熱暴露狀態(tài)下，均產(chǎn)生相近的疲勞缺口系數(shù)Kf和疲勞缺口敏感系數(shù)Q。這表明，疲勞行為由V型缺口本身的幾何形