电流对定向凝固Ti-48Al-2Cr-2Nb组织的影响

摘要

由于TiAl合金具有比强度高，高温性能优异等特点，所以在航空航天领域的使用十分广泛。然而，由于TiAl基合金的室温塑性差等缺点阻碍了其推广应用。电流凝固技术是当前采用比较多的用来改善材料组织，提升性能的新型凝固技术。本文重点研究了不同电流作用下定向凝固过程的TiAl基合金的组织变化规律。
　　本文选Ti-48Al-2Cr-2Nb（at.%）合金作为研究对象，利用电磁冷坩埚定向凝固技术进行实验。在定向凝固过程中分别加载不同电流密度的直流与脉冲电流作用，分析不同电流对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金定向凝固组织的影响及变化规律。
　　首先，利用ANSYS对电流作用下TiAl基合金定向凝固过程的电磁场分布进行数值模拟。通过数值模拟发现，直流电流作用下磁感应强度及洛伦兹力由外及内逐渐降低，内部的值最低。而脉冲电流作用下，磁感应强度及洛伦兹力主要集中分布在表层趋肤层附近，对内部影响极小。
　　从试样宏观组织观察到电流作用下使得试样两侧的柱状晶生长与抽拉方向夹角变小，定向效果更好，直流电流比脉冲电流作用更加明显。直流电流作用下当电流密度增大到74 mA/mm2时，稳定生长区的部分柱状晶转变为等轴晶。直流电流作用下随着电流密度的增加，柱状晶晶粒尺寸先变大后变小。脉冲电流作用下，柱状晶晶粒尺寸随着电流密度的增加先变小，后变大。直流电流作用下合金片层间距随着电流密度的增加，先减小后增大。脉冲电流作用下，片层间距随着电流的增大而减小。随电流密度增加，组织中与抽拉方向夹角在30~60°范围内的片层团增多，垂直夹角变少，夹角波动范围变小，有利于以β相为先析出相。
　　电流作用下，组织中B2相的含量随电流密度的增加而减少，Al含量较高的γ单相组织也减少。电流作用使得溶质分布更加均匀，减少微观偏析。
　　电流作用能使得定向凝固启动界面更加趋于平直化，而且随着电流密度的增加，铸态区的等轴晶逐渐增大，有向柱状晶转化的趋势，有利于柱状晶的生长。电流作用下在固液界面处既存在α枝晶也存在β枝晶，电流密度的增加，有利于减少固液界面界面前沿的成分过冷。
　　对不同电流参数作用的定向试样做性能测试，结果表明：直流电流作用下合金的硬度随着电流密度的增加先变大后变小。脉冲电流作用下，随着电流密度的增加而变大。由于电流对固态相变过程影响较小，原始铸态区的硬度基本上无明显变化。直流电流作用下，随着电流密度的增加，抗压强度有增大后减小的趋势。脉冲电流作用下，抗压强度随着电流密度的增加而增大。随着电流密度的增加，合金室温压缩塑性有所提高。电流作用下合金的断裂韧性得到一定提高。直流电流作用下，随着电流密度的增加，断裂韧性先增大后减少，电流密度为49.7 mA/mm2时断裂韧性最大为22.91 MPa·m1/2。脉冲电流作用下，随着电流密度的增加，合金断裂韧性不断增加。电流密度为74 mA/mm2，断裂韧性最大为20.09 MPa·m1/2，略低于直流电流作用下。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 TiAl基合金研究现状

1.3 电场作用下凝固技术国内外研究现状

1.4 电场作用下凝固技术简述

1.5 论文主要研究内容

第2章 研究路线和实验方法

2.1 研究方案与技术路线

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.4 组织与性能分析

第3章 电流作用下定向凝固电磁场数值模拟

3.1 引言

3.2 ANSYS计算过程及模型建立

3.3 直流电作用下的电磁场

3.4 脉冲电流作用下的电磁场

3.5 小结

第4章 电流对定向凝固Ti-48Al-2Cr-2Nb组织的影响

4.1 引言

4.2 直流电流作用下Ti-48Al-2Cr-2Nb的定向凝固组织

4.3 脉冲电流作用下Ti-48Al-2Cr-2Nb的定向凝固组织

4.4 电流作用下固液界面

4.5 本章小结

第5章 电流对定向凝固Ti-48Al-2Cr-2Nb性能的影响

5.1 引言

5.2 电流作用下定向凝固TiAl基合金的显微硬度

5.3 电流作用下定向凝固TiAl基合金的压缩性能

5.4 电流作用下定向凝固TiAl基合金的断裂韧性

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢