微量元素Y对定向凝固高铌钛铝合金组织的影响(3)
1.2 TiAl基合金的组织结构
1.2.1 TiAl基合金的结构
TiAl基合金根据铝含量不同可分为单相γ-TiAl合金和由γ基体相（TiAl）和少量的第二相α2相（Ti3Al）组成的双相合金，其中单相γ-TiAl合金含Al量在50%以上，γ+α2双相TiAl合金含Al量较低(一般在43%-48%之间)。研究成果表明，γ+α2双相TiAl合金的强度和塑性都明显优于单相γ-TiAl合金，因而广泛开展应用研究的是双相TiAl合金。图1.1为钛铝合金二元相图。
图1.1 钛铝合金二元相图
图1.2所示为钛铝合金二元相图的中间部分。该相图的高温部分存在两个包晶反应：L+β→α和L+α→γ，在大约1125℃存在一个α→α2+γ共析反应。
图1.2 钛铝合金部分相图
γ+α2双相TiAl基合金中，γ相是L10结构(面心立方结构)，见图1.3(a)所示，其晶格常数a=0.3957~0.4015nm，c=0.4062~0.4097nm，正方度c/a≈1.02。α2相具有DO19结构(有序吹冰方结构)，见图l.3(b)所示，晶格常数a=0.5640~0.5783nm，c=0.4619~0.4760nm。当二元合金中加入一定量的β稳定元素，则会出现体心立方的有序β相(B2结构)，也称B2相。
图1.3 (a) γ-TiAl相晶体结构 (b) α2-Ti3Al相的晶体结构
通常TiAl基合金中α2相和γ相保持严格的晶体学位向关系：
<0001>α2∥(111)γ，<1120>α2∥<110>γ
这种界面位向关系具有很高的热稳定性，难于用简单的热处理方法破坏。
1.2.2 TiAl基合金的组织
双相TiAl合金的组织控制是影响宏观力学性能的一个重要因素。将铸态和热加工态TiAl合金在不同的温度区间进行热处理，即可以产生4种不同的典型显微组织：近γ组织(NG)、双态组织(DP)、近片层组织(NL)、全片层组织(FL)。
研究发现，γ-TiAl基合金的力学性能强烈地依赖于其显微组织。其中，NG组织由于各方面性能都较低，已很少有专门研究；DP组织具有最高的拉伸塑性(2 %~4%)及中等的强度水平(YS = 420~460 MPa，UTS = 550~660 MPa)，但断裂韧性很低(10~16 MPa•m1/2)，蠕变抗力较差；NL组织强度最高（YS = 510MPa，UTS = 700 MPa）而塑性中等；FL组织晶粒大，强度低，塑性差(约1%)，但具有较高的断裂韧性(20~32MPa•m1/2)和蠕变抗力。
图1.4 PST结构屈服强度及塑性随片层与应力轴方向夹角的变化[3]
高温γ-TiAl片层结构的力学性能有很强的方向性。为了揭示片层取向与性能的关系，Yamaguchi等人制备了具有单一取向的全片层 PST(polysynthetic twinned)晶体，经研究发现[3]：合金的强度与塑性明显各向异性。图1.4所示为用PST晶体所测定的屈服强度与塑性随片层取向与承载方向夹角的变化，可以看出，当外加载荷垂直于片层时屈服强度虽最高，而延伸率极低。综合而言，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。这种力学性能方面明显的各向异性的原因是片层界面平行或垂直于外加应力时，γ相沿{111}面的剪切形变与片层界面相截(硬形变)，剪切形变必须通过孪晶界、α2/γ界面和α2片层，造成大的形变阻力。
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