高Nb-TiAl合金定向凝固组织片层取向研究(2)
1 引言
1.1 选题意义
TiAl金属间化合物中金属键与共价键共存，有可能同时兼有金属的韧性及陶瓷的高温性能。γ-TiAl金属间化合物是一种新型轻质的高温结构材料，不仅具有良好的耐高温、抗氧化性能，而且其弹性模量、抗蠕变性能均优于钛合金，与Ni基高温合金相当, 但密度还不到Ni基合金的一半[1]。 γ-TiAl具有优异的常温和高温力学性能, 使用温度可达到700~ 1 000℃，可使燃烧室及高温蒙皮结构使用的工作温度大增而无需用镍基高温合金，使喷气发动机推重比提高50% 以上，成为当代航空航天工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高温结构材料之一，具有重要的工程化应用潜力[1-4]。此外TiAl合金的应用领域正在扩展,除了叶片外，非转动部件、非受力轮盘、薄板蒙皮等都可能应用。随着科技的发展，TiAl合金需求量和应用领域将不断扩大。
经研究发现添加Nb元素可也显著提高TiAl合金的抗氧化性能、高温强度和蠕变强度，使其熔点提高60~100℃[5]。但是由于高Nb-TiAl合金的室温脆性以及较差的室温塑性，限制了其在涡轮机及航空材料应用上的进一步推广。然而这一缺陷可以通过定向凝固技术进行弥补。研究表明，由于全片层组织具有远较其它组织形态为高的断裂韧性, 因而多趋向于选择全片层组织。为了得到这种具有优良性能的全片层组织的试样，将采用定向凝固的手段获得。期望得到的材料显微组织有两种：(a)柱状晶的片层取向一致；(b)各柱状晶的片层相互之间成一定的角度，如图1-1所示[6]。定向凝固技术可分为籽晶法和非籽晶法，但是由于籽晶法的应用条件相对苛刻，且非籽晶法（合金化、控制凝固参数、改变凝固路径等）比较容易控制，因而多采用非籽晶法进行定向凝固。
本文采用定向凝固技术，建立适当的温度梯度、以一定的抽拉速率，期望得到取向一致的全片层组织或柱状晶，提高其室温塑性、断裂韧性，从而扩大其应用范围。因而掌握定向凝固的机理，如何控制片成取向以大大提高TiAl合金的使用性能成为了研究的重点。综上所述，本文运用受控凝固设备采用定向凝固（非籽晶法）技术探索控制片层取向控制机理,为定向凝固TiAl合金的应用，提高其室温力学性能提供了工艺参考和实验依据。
图1-1 定向凝固铸锭（a）柱状晶的片层取向一致；
(b) 各柱状晶的片层相互之间成一定的角度
1.2 TiAl基合金定向凝固技术及其研究现状
1.2.1 TiAl合金组织与力学性能
根据Al含量的不同，TiAl基合金可分为γ单相合金(≥49at.%Al)和α2+γ双相合金(<49at.%Al)，而α2+γ双相合金按组织形态又可以分为四类：(1)全片层组织(FL)，其由较大层片组成；(2)近全片层组织(NL)，由较大的层片及较细的γ等轴晶组成；(3)双态组织(DL)，为细小的层片和细小的γ等轴晶的混合组织；(4)近γ组织(NG)，由粗大的γ等轴晶及较细的(α2+γ)混合组成。表1-1给出钛铝合金的典型组织与性能间的关系[7]。
表1-1 钛铝合金组织与室温拉伸性能及断裂韧性的关系
由PST晶体研究表明:片层界面对裂纹扩展有阻力，增加片层含量有助于提高组织的塑性和强度。全片层组织由于片层含量比其它结构类型高，从而具有更高的断裂韧性和疲劳裂纹扩展抗力，而且降低FL的晶粒尺寸和层片厚度对提高其高周疲劳强度有利，因而多趋向于选择全片层组织[8]。全片层结构由γ及α2交错形成[6]，这两相的晶粒取向和晶体结构不同，由于该组织能够产生较大的裂纹尖端应变，从而增大了抗裂纹扩展的能力。同时如果层片相界面两侧如果存在不同的晶体取向及晶体结构，也会造成对滑移带和解理裂纹跨越界面的阻碍[9-11]。综合而言，细小的全层片组织FL可以获得更高的综合性能。