硼及钇对钛铝合金组织性能的影响及精密铸造工艺研究

摘要

熔模铸造是制备具有工程应用背景的TiAl合金构件的重要生产方式，本文研究了硼、钇对铸态TiAl合金的组织性能的影响，以及热处理对TiAl合金的组织性能的影响，开展了适合TiAl合金熔模铸造用陶瓷型壳面层材料的研究，探索了大型TiAl合金铸件的浇注工艺，进行了大型TiAl合金格栅件的浇注。
　　研究发现Y有强烈的吸氧作用，Ti-45Al-5Nb-0.08Y合金的氧含量从Ti-45Al-5Nb合金的740ppm降至460ppm。微量Y的添加能够细化Ti-45Al-5Nb合金α2/γ片层的片层间距，Ti-45Al-5Nb-0.08Y合金的片层间距从Ti-45Al-5Nb合金的580nm降至200nm。但微量Y的添加对Ti-45Al-5Nb合金晶粒尺寸的影响不明显，含Y合金的晶粒尺寸仍约为770μm。Ti-45Al-5Nb-xY合金中的富钇相为Y2O3相，YAlO3相和AlY相，其中有共格关系[1-213]YAlO3//[-101]Y2O3。添加Y可改善铸态Ti-45Al-5Nb合金的室温力学性能。
　　研究发现B的添加可以显著细化合金组织，0.4％B为Ti-45Al-5Nb合金铸态组织最佳细化效果的最小B添加量。Ti-45Al-5Nb-xB合金中的硼化物为遵守[001]Bf//[001]D7b//[001]B2共格关系的三相复合条带。B对Ti-45Al-5Nb铸态合金的细化机制为凝固前沿的成分过冷。铸态Ti-45Al-5Nb-0.4B合金室温力学性能最好。
　　研究发现Ti-45Al-5Nb-0.4B-xY（x=0.02,0.04,0.06,0.08,at.%）合金中由于B和Y的复合作用，合金中硼化物为Bf相条带与YBO3相薄片垂直生长，两相之间存在如下的共格关系：[001]Bf//[010]YBO3。在YBO3相生长过程中消耗了氧化钇，残余的富钇相为AlY和Al2Y。铸态Ti-45Al-5Nb-0.4B-0.06Y合金的室温力学性能最好。
　　研究发现含硼、钇的TiAl合金经过全片层热处理，Ti-45Al-5Nb-0.4B-0.06Y合金的室温拉伸强度为709MPa，伸长率为0.63%。含硼、钇的TiAl合金经过双态热处理，Ti-45Al-5Nb-0.4B-0.06Y合金的室温拉伸强度为706MPa，伸长率为0.67%。
　　研究了锆粘结剂、钨粘结剂、钇粘结剂、铝粘结剂四种粘结剂的晶化行为，确定碳酸锆铵粘结剂、偏钨酸铵粘结剂、钇溶胶粘结剂制备的型壳的焙烧温度为950℃，铝溶胶粘结剂制备的型壳的焙烧温度为1100℃。分析了反应界面的形貌、元素分布和显微硬度，综合考虑界面平直程度、粘砂层致密程度、是否有TiAl合金侵入型壳、TiAl合金基体中是否有耐火材料颗粒夹杂、反应层厚度、粘砂层厚度、铸件表面硬度和硬化层厚度等因素，发现Al-Sol+Al2O3面层型壳与TiAl合金的界面反应最轻微，反应层厚度仅为2μm，且无粘砂层。
　　基于小尺寸TiAl合金格栅试验件的ProCAST数值模拟确定工艺方案，利用模拟所得最佳参数进行实际浇注实验，成功制备出TiAl合金格栅试验件。对TiAl合金格栅试验件分析表明，铸件组织均匀，从內圆到外边缘无明显变化。缩松缩孔缺陷分散分布于圆盘，模拟结果与实验结果吻合。基于小尺寸试验件的数值模拟和实际浇注的数据，优化了TiAl合金格栅件的浇注系统，成功制备出高质量的大型（Φ580×10mm）TiAl合金格栅件。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 TiAl合金概述

1.3 B对TiAl合金组织性能的影响

1.4 Y对TiAl合金组织性能的影响

1.5 TiAl合金的制备工艺及应用

1.6 TiAl合金熔模铸造的研究

1.7 熔模铸造TiAl合金与型壳界面反应的研究

1.8 研究的目的意义及内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

第3章 B及Y对Ti-45Al-5Nb合金显微组织及力学性能影响

3.1 引言

3.2 铸态Ti-45Al-5Nb合金组织与力学性能

3.3 Y对铸态Ti-45Al-5Nb合金组织与力学性能的影响

3.4 B对铸态Ti-45Al-5Nb合金组织与力学性能的影响

3.5 Y对铸态Ti-45Al-5Nb-0.4B合金组织与力学性能的影响

3.6 本章小结

第4章 热处理对含B及Y的Ti-45Al-5Nb合金组织及室温力学性能影响

4.1 引言

4.2 全片层热处理对TiAl合金组织及室温力学性能的影响

4.3 双态热处理对TiAl合金组织及室温力学性能的影响

4.4 本章小结

第5章 TiAl合金与氧化物陶瓷型壳的相互作用

5.1 引言

5.2 粘结剂晶化行为

5.3 陶瓷型壳的制备和浇注实验

5.4 界面反应分析

5.5 TiAl合金与氧化物型壳界面反应机理分析

5.6 本章小结

第6章 TiAl金的熔模铸造及组织缺陷

6.1 引言

6.2 TiAl合金的充型特性

6.3 TiAl合金格栅试验件的熔模铸造浇注系统的设计

6.4 TiAl合金格栅试验件的熔模铸造数值模拟

6.5 TiAl合金格栅试验件的实际浇注实验

6.6 TiAl合金格栅试验件的铸件质量分析

6.7 TiAl合金格栅件的熔模铸造浇注系统的设计

6.8 TiAl合金格栅件的熔模铸造数值模拟

6.9 TiAl合金格栅件的实际浇注实验

6.10 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

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致谢

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