定向凝固TiAl合金板状坯微合金化及组织细化

论文摘要

本文利用真空电弧炉研究微量稀土合金元素Y、Nd、Gd对三种钛铝基（Ti47Al、Ti43Al3Si、Ti46Al0.5W0.5Si）合金凝固组织的细化影响,并在此基础上利用大宽厚比3:1的扁形冷坩埚对所选定的钛铝基合金（Ti46Al0.5W0.5Si0.5Y及Ti46Al0.5W0.5Si0.165Gd）进行定向凝固实验,制备了组织基本定向、晶粒较为细小的Ti46Al0.5W0.5Si0.5Y及Ti46Al0.5W0.5 Si0.165Gd扁坯试样。三种钛铝基合金Ti47Al、Ti43Al3Si和Ti46Al0.5W0.5Si的显微组织均为粗大的全片层组织,其中Ti46Al0.5W0.5Si组织较为细小,其枝晶间距为101μm。加入稀土元素后,钛铝基合金全片层组织特征并未改变,晶粒细化效果明显。添加0.1at%-0.3at%Gd对钛铝基合金组织细化效果明显,其枝晶间距明显变小;添加0.5at%Y对钛铝基合金组织细化明显;稀土Nd的添加使钛铝基合金显微组织粗化。用3:1的冷坩埚对两种成分钛铝基合金分别进行了定向凝固实验。观察和分析了在不同工艺参数下进行钛铝基合金定向凝固中出现的试样粘连、驼峰崩溅、表面褶皱等铸造缺陷的形成机理和预防措施,并通过对抽拉速度、底托引料和线圈的相对位置、引料和上送料棒的相对位置等工艺参数的调整制备出表面光滑且内部定向效果较好的钛铝基合金。观察和分析了Ti46Al0.5Si0.5W0.5Y和Ti46Al0.5W0.5Si0.165Gd扁坯的宏观和微观组织,发现两种成分的TiAl合金定向凝固试样组织生长存在一些共性。在凝固界面附近都存在两个界面,它们将该区域划分成三个明显不同的区域,即最后凝固液相区、糊状区和稳定生长固相区。在稳定生长的定向凝固区域,组织基本为由γ板条和α2片层交错组成的全片层组织。最后分别测试了Ti46Al0.5W0.5Si、Ti46Al0.5W0.5Si0.5Y和Ti46Al0.5 W0.5Si0.165Gd原始铸态及定向凝固后的室温拉伸性能,证明了稀土元素的添加对其性能有一定的提高作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 钛铝基合金国内外研究现状
• 1.2.1 钛铝合金晶体结构
• 1.2.2 钛铝合金凝固相变原理
• 1.2.3 TiAl基合金显微组织与性能的关系
• 1.2.4 细化晶粒对TiAl基合金力学性能的影响
• 1.2.5 定向凝固对钛铝合金的力学性能的影响
• 1.3 合金元素对TiAl基合金组织的影响
• 1.3.1 合金化
• 1.3.2 稀土在金属材料中的应用
• 1.4 冷坩埚定向凝固技术原理
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 研究路线及实验方法
• 2.1 研究路线
• 2.2 实验材料及实验设备
• 2.2.1 实验材料的选择
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 钛铝基合金锭的制备
• 2.3.2 钛铝合金棒料的制备
• 2.3.3 分析与测试方法
• 第3章 微合金化元素对TiAl基合金组织影响
• 3.1 前言
• 3.2 钛铝基合金纽扣锭的分析
• 3.3 Gd元素对TiAl基合金凝固组织影响
• 3.4 Y元素对TiAl基合金凝固组织影响
• 3.5 Nd元素对TiAl基合金凝固组织影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 冷坩埚定向凝固TiAl合金板状坯工艺研究
• 4.1 前言
• 4.2 工艺参数的选择及实验过程
• 4.2.1 工艺参数的选择
• 4.2.2 冷坩埚定向凝固实验过程
• 4.3 工艺参数对板坯表面质量的影响及控制
• 4.3.1 工艺参数对板坯表面质量的影响
• 4.3.2 定向凝固过程中的表面缺陷分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 钛铝合金定向凝固扁坯组织与性能分析
• 5.1 前言
• 5.2 Ti46Al0.5W0.5Si0.5Y的组织分析
• 5.2.1 凝固界面附近组织
• 5.2.2 凝固界面附近区域的显微组织
• 5.2.3 典型组织
• 5.3 Ti46Al0.5W0.5Si0.165Gd的组织分析
• 5.3.1 凝固界面附近组织
• 5.3.2 凝固界面附近区域的显微组织
• 5.4 冷坩埚定向凝固TiAl合金板状坯晶粒生长过程及控制
• 5.5 合金力学性能测试与分析
• 5.5.1 拉伸力学性能
• 5.5.2 断口形貌分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢