微量元素Y对定向凝固高铌钛铝合金组织的影响(2)
3.2.1 晶粒细化机理 25
3.2.2 片层间距细化机理 27
3.2.3 富稀土相YAl2的形成机理 27
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
1 引言
1.1 课题研究背景
随着航空航天技术的发展，对高温结构材料的性能要求越来越高，不仅要求强度高，而且还要求重量轻、高温性能好等。目前，传统的高温合金是铁镍基高温合金，其开发已接近其极限，同时由于比重大，难以全面满足高性能发动机的要求，轻质高温材料的研制日益迫切。与传统的高温合金相比，金属间化合物的使用温度更高，正好填补了高温合金与高温陶瓷的中间空白区。与无序合金相比，金属间化合物具有低的原子扩散速率，一方面提高其显微结构的稳定性，另一方面降低高温蠕变速率，从而具有优异的高温蠕变性能。由于晶体中金属键与共价键共存，同时兼有金属的韧性及陶瓷的高温性能，因此具有很大的发展潜力。
TiAl基合金是一种新兴的金属间化合物结构材料，与传统的合金（普通高温合金和钛合金）相比[1]，TiA1合金具有金属和陶瓷的双重优点，例如：1）密度低，仅为4g/cm3；2）刚度高，20ºC时，E=175GPa(钛基合金为120GPa，镍基合金为200GPa)；3）具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度；4）具有良好的抗蠕变及抗氧化能力，低的线膨胀系数和高的热传导性等等，这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料，因此，TiA1合金的发展一直受到世界各国研究者的关注和重视，其中以γ相(TiAl)和α2相(Ti3Al)组成的双相片层结构TiAl合金塑性、强度等综合性能最佳。
TiAl基合金的室温延伸率通常在0.3-4%之间变化，屈服和拉伸强度则分别在250-600Mpa和300-700Mpa之间。早期研究的TiAl基合金多为铸态。通常铸态组织为粗大树枝晶，很容易产生疏松和成分偏析，因而其脆性极高，室温延性几乎为零。
TiAl基合金经过多年的研究已取得许多重大突破，目前已经进入实用化阶段。美国GE公司采用Ti-48Al-2Cr-2Nb合金制造的低压涡轮第6、7级叶片在波音787民用客机上使用，并在2007年2月成功地参与完成了第一次飞行试验。德国ALD公司采用水冷铜坩埚熔炼工艺，成功地浇注了TiAl合金排气阀，并用在奔驰轿车的发动机上。国际上，TiAl金属间化合物的近中期发展目标是取代一部分正在使用的比强度较低的结构材料，以降低引擎和运载工具本身的质量，提高推重比和效率。
但是普通TiAl合金的室温塑性和断裂韧性较低，在800ºC以上抗高温蠕变和抗高温氧化性能较差，这在很大程度上限制了TiAl合金的实际应用[2]。为了改善TiAl合金使用性能，人们开展了大量的研究，使TiAl合金朝着多组元化方向发展，合金中铝含量逐渐降低，而铌的含量则逐渐升高，最终发展到高铌TiAl合金。与普通TiAl基合金相比，高铌TiAl合金由于高熔点难熔金属铌元素的加入，提高了合金的高温强度，改善了高温抗蠕变和抗氧化性能，同时使合金使用温度提高了60-100ºC，又兼顾了普通TiAl合金密度小的特点，目前已成为国内外TiAl基高温合金重要发展方向[1]。由于高铌TiAl合金密度不及镍基高温合金的一半，同时高温性能十分接近，因此被认为是最有应用潜力的新一代高温轻质结构材料。表1.1即为TiAl合金发展历程，可以看出，TiAl合金朝着高铌方向发展。
表1.1 TiAl合金发展历程[1]
研究发现，金属间化合物晶体结构对称性低、晶界结合力差，这些缺点导致了其室温脆性。TiAl基合金作为一种金属间化合物，室温塑性及热加工性能较差，高铌的加入也未能对室温塑性及热加工性能得到改善，因而限制了其工业化应用。目前主要采用定向凝固的方式改善钛铝合金显微组织，进而发挥其性能潜力。即通过利用凝固时热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制晶体取向，消除横向晶界，获得特定的片层方向的目的。研究表明：外加载荷平行于片层界面可以获得最佳的强度与塑性的综合[3]，所以对于某些转动物件，如发动机叶片而言，使受力方向平行于TiAl合金片层取向，是发挥材料性能优势的最佳选择。定向凝固技术能极大提高TiAl合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，从而为其提供了更广阔的应用前景。
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