TiAl-5Nb合金定向凝固過程中組織演化規(guī)律的研究.pdf

1、TiAl合金是一種極具潛力的高溫結構材料，它的重要發(fā)展方向之一是具有單軸應力狀態(tài)的發(fā)動機葉片。為了充分發(fā)揮TiAl基合金用于葉片材料方面的優(yōu)勢，期望TiAl基合金以全β凝固方式進行定向凝固，從而獲得與生長方向相平行或成45°夾角的片層組織。Nb元素的加入不僅可以提高TiAl合金的高溫性能和室溫塑性，而且Nb元素的加入對獲得全β凝固的TiAl基合金起到十分重要的作用。因此，Nb元素的添加為設計高鋁含量的、全β凝固的、可控片層取向的TiAl

2、基合金提供了可能。
　　本文首先利用Thermo-Calc軟件對Ti-Al-Nb三元合金系進行了熱力學計算。通過分析 Nb含量低于15at.％的TiAl-Nb三元合金系的變溫截面圖得出，Nb含量分別為5at.%、10at.%和15at.%時，Al含量分別低于52.3at.%、55.8at.%和56.9at.%的TiAl-Nb三元合金的初生相均為β相。將Ti-Al-Nb三元合金系的變溫截面圖進一步簡化得到了 Ti-Al偽二元相圖，根

3、據(jù) Ti-Al偽二元相圖得到了TiAl-Nb合金的“鋁當量”表達式，為獲得全β相凝固的TiAl-Nb三元合金提供了理論依據(jù)。
　　為了進一步確定全β凝固的TiAl-Nb合金的成分范圍和驗證Ti-Al偽二元相圖中全β凝固的成分點，對非自耗電弧熔煉得到的TiAl-Nb合金錠的組織演化規(guī)律進行了研究。對于TiAl-5Nb合金錠而言，當Al含量小于或等于48at.%時，其初生相為β相；Al含量大于48at.%時，其初生相為α相。本文綜合考

4、慮了Ti-Al偽二元相圖和非自耗電弧熔煉的實驗結果，同時為了保持 TiAl基合金的低密度的特性和獲得較好的綜合性能，本文確定用于TiAl-Nb合金定向凝固實驗的成分為：Ti-45Al-5Nb、Ti-47Al-5Nb和Ti-50Al-5Nb合金。
　　對 Ti-45Al-5Nb、Ti-47Al-5Nb和Ti-50Al-5Nb三種合金分別在6.9K/mm和11.4K/mm兩種溫度梯度下進行了定向凝固實驗。研究發(fā)現(xiàn)溫度梯度為6.9K/m

5、m的TiAl-5Nb合金的宏觀組織的定向效果較差。但是，從其片層取向與生長方向的夾角可以發(fā)現(xiàn)，當溫度梯度為6.9K/mm時三種成分的TiAl-5Nb合金在凝固過程中的初生相為β相。當溫度梯度為11.4K/mm時，Ti-50Al-5Nb合金的宏觀組織具有較好的定向效果。通過對溫度梯度為11.4K/mm的Ti-50Al-5Nb合金定向凝固組織的研究可知，生長速度小于20μm/s的Ti-50Al-5Nb合金在定向凝固過程中的初生相均為β相。其

6、中，生長速度小于15μm/s時，Ti-50Al-5Nb合金的片層取向大多與生長方向相平行，實現(xiàn)了在高鋁 TiAl-5Nb合金中的片層取向的控制。因此，通過實驗證明了 TiAl-5Nb合金在不同的溫度梯度和生長速度條件下都可以得到全β凝固。并且在溫度梯度為11.4K/mm、生長速度小于15μm/s條件下 Ti-50Al-5Nb合金具有較好的片層組織，在高鋁的TiAl-5Nb合金中獲得了我們所期望得到的定向凝固組織。本文利用成分過冷和充分形