定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的領(lǐng)先相選擇及其取向變化規(guī)律.pdf

1、TiAl基合金具有良好的高溫性能，抗氧化性和較低的密度，是航空航天領(lǐng)域中一種極有發(fā)展前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。其中成分范圍為 Ti-（46~48） Al-2Cr-2Nb（原子百分比，下同）的系列合金因良好的強(qiáng)度和塑性而有廣泛的應(yīng)用。本文選擇有工程應(yīng)用背景的Ti-46Al-2Cr-2Nb合金，利用Bridgman工藝在不同凝固條件下（生長速度v=5μm/s~120μm/s，溫度梯度G=6K/mm~26K/mm，試樣直徑φ=3mm~10mm和生長

2、距離z=5mm~30mm）進(jìn)行了定向凝固實(shí)驗(yàn)，研究了凝固條件對領(lǐng)先相類型，形貌及其生長方向的影響規(guī)律和機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)溫度梯度較低或較高時(shí)（G=6K/mm和26K/mm），定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的領(lǐng)先相分別為β和α相，不隨生長速度發(fā)生轉(zhuǎn)變。G=18K/mm時(shí)，領(lǐng)先相隨 v增加由β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?，臨界轉(zhuǎn)變速度 vtr滿足5μm/s

3、增加至10μm/s

4、先相類型影響較大；隨著試樣直徑的增大，λ1-v關(guān)系中的指數(shù)絕對值逐漸減?。坏L距離的改變對λ1和λ2影響不大。
　　基于最高界面溫度準(zhǔn)則對Ti-46Al-2Cr-2Nb合金定向凝固過程中的領(lǐng)先相選擇進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)凝固條件通過影響α相和β相的界面溫度，進(jìn)而影響定向凝固過程中的領(lǐng)先相選擇。在純擴(kuò)散條件下建立的領(lǐng)先相選擇模型僅能定性描述Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的領(lǐng)先相轉(zhuǎn)變，計(jì)算得到的vtr理論值與實(shí)驗(yàn)值偏差較大。引入對流的

5、影響后，領(lǐng)先相選擇模型可以解釋試樣直徑對領(lǐng)先相選擇的影響，但無法解釋領(lǐng)先相隨生長距離的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。引入初始過渡階段對領(lǐng)先相的影響后，領(lǐng)先相選擇模型可以描述領(lǐng)先相隨生長距離的轉(zhuǎn)變，但計(jì)算得到的ztr理論值與實(shí)驗(yàn)值差別較大。有限長試樣中，試樣的生長將引起溶質(zhì)富集，在此基礎(chǔ)上對相選擇模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正后，可以對Ti-46Al-2Cr-2Nb合金不同凝固條件下的領(lǐng)先相轉(zhuǎn)變進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)測。利用修正后的領(lǐng)先相選擇模型進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，Ti-46A

6、l-2Cr-2Nb合金領(lǐng)先相與凝固進(jìn)程相關(guān)的復(fù)雜轉(zhuǎn)變與對流與液相的溶質(zhì)富集有關(guān)。其中由定向凝固生長距離增加導(dǎo)致的液相溶質(zhì)富集是促進(jìn)領(lǐng)先相發(fā)生轉(zhuǎn)變的一個(gè)主要原因。
　　當(dāng)定向凝固Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的領(lǐng)先相為β時(shí)，隨著溫度梯度的增加G和生長速度v的降低，β相的可能生長方向由<211>β，<311>β，<321>β和<322>β等多種方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋼駜?yōu)生長方向<100>β。當(dāng)定向凝固 Ti-46Al-2Cr-2Nb合金

7、的領(lǐng)先相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗪?，G=18K/mm時(shí)α領(lǐng)先相的生長方向與其擇優(yōu)生長方向<0001>α的夾角保持45°左右，不隨生長速度的變化而發(fā)生改變。當(dāng)溫度梯度升高到26K/mm后，α領(lǐng)先相的生長方向與其擇優(yōu)生長方向<0001>α的夾角由較低生長速度下的90°左右轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高生長速度下的45°左右。經(jīng)分析后表明，定向凝固 Ti-46Al-2Cr-2Nb合金的領(lǐng)先相轉(zhuǎn)變過程中，α相與β相遵循Burgers取向關(guān)系。凝固初期的β相生長方向和凝固過程中發(fā)