凝固速率对TiAl合金取向微观组织的影响(3)
材料的组织结构不同，相应的其力学性能也会存在差异[25-26]：全片层组织的晶粒较大，晶粒大小一般在600～1000μm左右，断裂韧性和抗蠕变性能较高，相反的强度和塑性偏低；近片层组织的层片团较大，导致强度较高塑性相应变差；双态组织相比来说晶粒更细小，塑性也相应是最高的，但是抗蠕变性能很差；等轴近γ组织的性能较差，通常研究较少。上述四种组织主要应用于高温下，而高温条件下全片层组织的综合力学性能较好，同时全片层组织具有确定的单一取向，因而是目前研究的重点。
Ti-Al合金片层组织的力学性能一定程度上取决于承载角φ的大小，承载角是指片层取向与承载方向的夹角。那么我们可以知道，为了能够很好的确定片层取向，避免杂乱的取向对分析问题的干扰，我们最好选择单一片层取向的研究对象。而Yamaguchi等人确实制备出了具有单一取向的全片层PST多孪晶晶体，其内部结构中的γ相结构中多为细薄的层片，这也是导致PST晶体取向良好的重要原因[23]。通过研究发现[27]：PST晶体的强度和塑性与承载角φ呈一定规律，见图1.3[28]。
图1.3 PST晶粒的室温屈服应力和延伸率，Φ是载荷与片层方向的夹角，1组和2组是不同的方向[28]
（a）抗拉强度，（b）延伸率
可以观察到，φ=0°时，晶体屈服强度数值处于图像中间位置，延伸率也较好；在φ=30°~60°时，虽然延伸率较好，但是屈服强度很差，明显不能满足生产以及使用需要；在φ=90°时，屈服强度很高，有了明显改善，但是此时延伸率过小，综合力学性能差。综上分析，我们可以知道为了获得综合力学性能良好的晶体，必须控制片层取向与承载方向平行。此外，片层取向与承载方向的夹角也影响晶体的蠕变性能。林建国等[29]通过实验发现当片层取向与承载方向平行或者垂直时候，也就是φ=0°和φ=90°时，晶体的蠕变抗力相对较高。而当φ=45°时，由于蠕变速率较大，位错运动的平均自由程较大，导致蠕变抗力相比平行或垂直时较低。也就是说，无论是从屈服强度与延伸率的平衡角度，还是从蠕变抗力的角度考虑，承载方向与片层界面平行时可以获得最佳综合力学性能。产生这种现象的原因在于当层片界面平行或垂直于外加载荷时，γ相沿{111}面的剪切形变需要使片层界面截断，那么剪切变形就必须通过孪晶界、α2片层和α2/γ界面，这也是最终造成较大形变阻力的原因[28]。
1.3 Ti-Al合金的定向凝固
1.3.1 定向凝固技术
定向凝固是用来获得特定取向的组织的一种方法，可以对内部组织晶粒取向进行控制，而这个过程中必须要建立特定方向的温度梯度[8]。凝固过程中，抽拉方向与热流方向是相反的，这在后面的分析中会有所涉及。那么，实现定向凝固的关键为：合金或者金属熔体中的热量流向垂直于生长界面，并且必须为单一的确定的方向，使熔体具有柱状晶或单晶的单一生长方向[30]。定向凝固技术就是温度梯度、冷却速度相互影响并按照一定规律变化的过程[31]。
定向凝固技术经过多年发展，已得到多种方法[32]。新型定向凝固技术相比过去的传统的定向凝固技术不仅可以提高生产效率，而且在提高凝固速率和细化凝固组织方面也有很大的作用，为生产制备和加工技术的开发提供很大方便[8]。Ti-Al基合金的定向凝固较常用的就是Bridgman法、光学浮区法，两者在原理上各有特点，对于研究问题有很大的方便[23]。
1.3.2 Ti-Al合金显微组织片层取向的控制