高Nb-TiAl合金定向凝固组织片层取向研究(3)
研究表明，两相片层TiAl合金的力学性能很大程度上取决于承载方向和片层取向的夹角。对具有单一取向的全片层晶体(PST)的力学性能试验表明：其力学性能取决于片层取向和加载轴方向的夹角(如图1-2所示)[6]。我们可以看出，当外加载荷垂直于片层方向时，即夹角为90°时屈服强度虽最高，而延伸率极低，几乎为零；当夹角为0°时，显示出较高的拉伸强度，尽管此时并没有90°的情况下高，但是其延伸率大大提高。
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。
图1-2 PST 晶体屈服强度、塑性随片层与应力轴方向夹角的变化
1.2.2 TiAl合金相图
TiAl合金凝固相图是我们了解其组织与性能的重要工具，通过相图可以知道该合金有哪些组织，存在几种反应（如合金熔点，某成分合金冷却时的凝固过程），从而能够为选择合适的成分材料、适当的凝固的途径提供重要参考。
随着科技的发展和人们对TiAl合金研究的不断深入，Ti-Al二元相图不断得到完善，如图1-3所示。从Ti-Al相图可知，在TiAl当量成分附近存在着两个包晶反应：L+β→α和L+α→γ。无序的α相可以通过共析反应生成有序α2相和γ相。同时，TiAl2相可以通过包析反应由δ相和γ相生成，而且δ相在较低温度时可以发生共析分解生成TiAl2相和TiAl3相。根据不同的合金成分，接近平衡条件下的合金从液相凝固可以分为三种不同的凝固路径分别为：β相凝固、α相凝固和γ相凝固[12]。
图1-3 TiAl合金二元相图
1.2.3 定向凝固技术
定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。由于该技术较好地控制了凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能。经研究发现，片层组织的TiAl合金具有较高的力学性的，其片层的取向通常由定向凝固来控制[13-14]。
该方法可分为籽晶法和非籽晶法（改变凝固参数，控制凝固过程)。采用定向凝固技术可以很好地控制晶粒的生长方向，得到预期的微观结构，从而获得具有特殊取向的组织和优异性能的材料。
对PST晶体所做的试验表明，用定向凝固技术获得具有平行于生长方向， 且以片层取向方式排列的柱晶材料具有很大的优势。但是用常规的定向凝固的方法难以获得平行于生长方向的γ/α2层片界面的定向排列组织。这是因为TiAl合金包晶凝固过程复杂，不同的初生相对应不同的片层取向,它们之间满足Blackburn关系：当初生相为β时，片层组织与生长方向成0º或45º；初生相为α时，片层组织与生长方向成90º夹角(如下图1-4所示)[15]。同时，γ/α2片层结构不是在液相中形成，而是通过α母相的固态相变形成。所以要控制片层取向，必须控制高温α相的生长方向[6]。
(a) β 为初生相
(b) α 为初生相
图1-4 片层取向与凝固初生相的关系
籽晶法是从生成与热流方向一致的α柱晶的母锭中切取α晶体并转动90°后作为随后定向凝固的籽晶。母锭中α柱晶择优生长的[0001] 取向就与随后定向凝固的热流方向垂直, 而新的与热流一致的择优生长方向就与γ片层的取向一致[1,6]。图1-5为这一方法的示意图：
图1-5 柱状晶片层方向与籽晶选择示意图
但上述凝固方法也常常失败，其主要原因是原来α相与γ片层的晶向关系及α相自身的位向关系在重熔加热中可能丧失。经研究发现，用Ti-43Al-3Si[16-17]作为籽晶材料可以生长许多不同的TiAl基合金，拥有与生长方向平行的片层组织，断裂韧性得到了显著提高。这种转变使得α相与籽晶材料可以直接接触，从而保证定向效果，同时β相的优生生长方向为<100>方向，因此最终形成的片层组织的取向与生长方向一致。但是由于γ相可以通过α相得到，可以通过β相得到，也可从液相直接析出。综上，片层取向受到固液、固固相变的影响，这给片层的控制带来了困难。