离心力场对急冷TiAl基合金组织和性能的影响

论文摘要

本文利用离心铸造的方法,在金属型中浇铸了目标成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb（at.%）的TiAl基合金,随后对其进行热等静压（HIP）处理（1270℃/173MPa/4hr）。在确保合金中各元素分布均匀性的前提下,研究了快速冷却TiAl基合金晶粒尺寸和片层间距的变化规律,HIP工艺对其析出相尺寸的影响,以及TiAl基合金的显微硬度和耐磨性能。TiAl基合金的成分分布研究结果表明,熔炼过程中Al元素将产生一定的挥发,使得合金中Al元素含量略低于目标成分,而离心力场对成分均匀性无明显影响。研究结果表明,快速冷却条件下TiAl基合金的晶粒尺寸变化和片层间距变化,以及HIP工艺对其析出相尺寸的影响都呈现一定的规律性。样品横截面边缘区域的晶粒尺寸最小,最大尺寸晶粒出现在过渡区域内,片层间距和HIP过程中析出相在截面内的尺寸变化符合抛物线规律。金属型离心铸造TiAl基合金内部存在难以消除的微观缩松,铸态样品横截面内的显微硬度分布不存在明显的规律性。HIP工艺明显减小了样品横截面的显微硬度平均值,且呈现出较强的规律性,表现为中心区域附近较高,而边缘区域较低。耐磨性能研究结果表明,在50N/10min（载荷设定为50N,磨损时间设定为10min）和100N/5min实验条件下,铸态样品的摩擦系数为0.140;经HIP处理后,在50N/10min和100N/3min实验条件下,材料的摩擦系数为0.158。HIP对TiAl基合金摩擦系数的影响,可归结为两方面的原因:一是消除了铸件内部的微小缩松,提高了材料的致密度;二是显微组织结构由全片层向双态结构的转变对其耐磨性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 TiAl基合金研究现状
• 1.2.1 TiAl基合金晶体结构
• 1.2.2 TiAl基合金的典型组织与性能关系
• 1.2.3 TiAl基合金化学成分对性能的影响
• 1.2.4 TiAl基合金的变形机制
• 1.2.5 TiAl基合金的制备和成型
• 1.2.6 TiAl基合金的发展趋势
• 1.3 本课题的研究内容
• 第二章 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的制备
• 2.1 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的熔炼
• 2.1.1 配料
• 2.1.2 一次熔炼
• 2.1.3 二次熔炼
• 2.2 金属型离心铸造制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金
• 2.2.1 铸型材料的选择
• 2.2.2 铸型结构设计
• 2.2.3 离心浇铸TiAl基合金铸件
• 2.3 合金的热等静压处理
• 2.4 离心浇铸中熔体的充型过程力场分析
• 第三章 TiAl基合金的成分均匀性
• 3.1 实验方法
• 3.2 TiAl基合金的成分均匀性
• 3.2.1 TiAl基合金的宏观成分分布特征
• 3.2.2 TiAl基合金的微观成分分布特征
• 3.3 本章小结
• 第四章 快速冷却TiAl基合金显微组织演变规律
• 4.1 实验方法
• 4.2 宏观组织与微观组织
• 4.2.1 宏观组织
• 4.2.2 晶粒尺寸变化规律
• 4.2.3 冷却速度对晶粒尺寸的影响
• 4.3 片层间距变化规律
• 4.3.1 铸态全片层组织
• 4.3.2 片层间距变化规律
• 4.3.3 冷却速度对片层间距的影响
• 4.4 析出相分布规律
• 4.4.1 TiAl基合金γ相析出探讨
• 4.4.2 γ析出相分布规律
• 4.5 TiAl基合金的表面硬化层和最终凝固区域
• 4.6 本章小结
• 第五章 TiAl基合金显微硬度分布规律及耐磨性
• 5.1 TiAl基合金显微硬度分布规律
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 铸态TiAl基合金显微硬度分布规律
• 5.1.3 HIP对TiAl合金显微硬度分布规律的影响
• 5.2 金属型离心铸造TiAl基合金的耐磨性
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 耐磨性实验
• 5.2.3 TiAl基合金的摩擦系数
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学期间公开发表论文情况
• 致谢