TiB2及Ni对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金凝固组织与性能的影响

摘要

Ti-48Al-2Cr-2Nb合金作为一种铸造TiAl合金，具有高比强度和比模量，良好的高温抗氧化及断裂抗性等优点，在航空航天工业及汽车工业领域中极具应用前景。但是Ti-48Al-2Cr-2Nb合金铸态组织为粗大柱状晶组织，影响了其力学性能的发挥，并导致了力学性能的各向异性。如何细化铸态组织晶粒尺寸，获得均匀的等轴组织是当前铸造TiAl合金的研究热点。本文通过在熔炼过程中添加 TiB2及 Ni来控制合金凝固组织并改善其力学性能与成形能力，对凝固组织演化、组织细化机理、力学性能及熔模精密铸造等方面进行了系统的研究。
　　采用真空非自耗电弧熔炼制备了不同 TiB2含量的 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，研究结果表明随TiB2含量的增加，合金铸态显微组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶，添加0.3％（原子比，下同）及以上的TiB2时合金晶粒尺寸细化至200μm。等B含量的单质B和TiB2对合金的晶粒细化效果一致，但是添加单质 B的合金铸态组织中存在气孔缺陷。合金中的硼化物均为C32结构的TiB2颗粒，共有片状、块状和杆状三种形貌，均为原始添加的TiB2颗粒溶解-再析出的产物。片状TiB2颗粒为纳米尺度的片状B2相和TiB2平行排列组成，两相具有特定位向关系：[12-13-]TiB2//[011]B2，(12-12)TiB2//(02-2)B2，是 L→β+TiB2共晶反应的产物。这种含β/B2相的片状TiB2对α相的辅助形核作用和和固-液前沿B原子引发的成分过冷是此类含TiB2的TiAl合金晶粒细化的主要机理。
　　采用水冷铜坩埚感应凝壳熔炼工艺（ISM）制备含TiB2的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，研究结果表明0.4%及以上的 TiB2添加使合金显微组织由粗大的柱状晶组织转变为细小等轴晶组织，晶粒尺寸由700μm细化至100μm，片层尺寸由400nm细化至185nm以下。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的拉伸性能和断裂韧性均表现出显著的各向异性，硬取向试样具有最高的室温拉伸强度（600MPa）和断裂韧性（20.89 MPa·m1/2），而软取向试样则表现较差。T4822-0.4TiB2合金的综合力学性能表现较好，提出了TiB2细化的TiAl合金中桥连韧化、片状硼化物致裂纹弯曲和杆状硼化物桥连作用三种韧化机制。在高冷却速率下合金的显微组织和硼化物尺寸得到细化，中速冷却时（1.2×103 K/s）合金力学性能最好，T4822-0.4TiB2合金室温拉伸 UTS达到550MPa，εf为0.36%。适量的 TiB2可以提高TiAl合金熔体的流动性。
　　研究了Ni合金化对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金显微组织和性能的影响，结果表明3.0%以上 Ni元素的添加使合金显微组织由粗大柱状晶转变为等轴晶，片层团尺寸由700μm细化至50μm。Ni元素的添加导致了六方结构的τ3相的形成和块状γ相的增多。τ3相和块状γ相的体积分数随 Ni含量增加而增多，T4822-4.0Ni合金中两相的体积分数分别达到7.9%和39.5%。富镍τ3相的纳米硬度值达到8.6GPa，远高于片层团和块状γ相的硬度值。T4822-0.5Ni合金表现出良好的室温拉伸强度，UTS达到630MPa，但是εf为0.15%，较基体合金降低15%。随着 Ni含量增加，含镍 TiAl合金的室温拉伸性能呈下降趋势，合金中硬而脆的τ3相应是其低温拉伸强度有所提高而塑性较差的原因。Ni合金化提高了合金高温拉伸的εf，同时降低了合金的韧脆转变温度。T4822-0.5Ni合金表现出最高的室温断裂韧性，KIC达到20.5 MPa·m1/2，但是随着Ni含量进一步增加断裂韧性反而降低，T4822-4.0Ni合金的KIC仅为11.74MPa·m1/2。1380℃/30min/炉冷的热处理可以有效消除含镍TiAl合金中的块状γ相，τ3相在热处理过程中发生熔化反应：τ3+γ→α+L，Ni元素除固溶在基体合金中以外还以微米尺度的杆状和不规则形状的τ3重新在片层界面和晶界处析出，热处理后合金的拉伸性能得到提高。适量的Ni元素可以提高TiAl合金熔体的流动性。
　　结合前文 TiB2和Ni元素对Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织和性能的研究结果，确定TiB2及Ni的最佳添加量分别是0.4%和0.5%。采用ISM工艺制备Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.5Ni-0.4TiB2合金，铸态组织由片层团、块状γ相和τ3相组成，平均晶粒尺寸为100μm，片层尺寸达到210nm。该合金的力学性能较基体显著改善，主要归因于组织的细化和均匀化，以及少量的τ3相和块状γ相。采用工业级20kg水冷铜坩埚感应凝壳熔炼设备成功浇注出无缺陷的T4822-(Ni,TiB2)合金弯管构件，铸件的室温和高温拉伸性能表现优异，室温UTS和εf分别为590MPa和0.55%，700℃时UTS和εf分别达到565MPa和2.23%。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 TiAl合金的研究现状

1.3 TiAl合金的晶粒细化

1.4 TiAl合金中的Ni合金化

1.5 TiAl合金的制备工艺

1.6 本文的研究目的、意义及内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 TiAl合金材料的制备

2.2 实验与分析方法

第3章 添加TiB2的TiAl合金凝固组织演化及细化机制

3.1 引言

3.2 合金的制备及其铸态组织分析

3.3 添加TiB2的TiAl合金晶粒细化机理研究

3.4 本章小结

第4章 添加TiB2的TiAl合金铸态组织及性能

4.1 引言

4.2 合金的制备及铸态组织分析

4.3 含TiB2的TiAl合金的力学性能

4.4 含TiB2的TiAl合金流动性能分析

4.5 含TiB2的TiAl合金的熔模精密铸造组织及性能

4.6 本章小结

第5章 Ni合金化TiAl合金凝固组织及性能

5.1 引言

5.2 铸锭的制备及铸态组织分析

5.3 富镍τ3相的显微结构特征

5.4 Ni合金化TiAl的力学性能研究

5.5 含镍TiAl合金的热处理

5.6 含镍TiAl的流动性分析

5.7 本章小结

第6章 TiB2及Ni复合添加的TiAl合金凝固组织性能及熔模精密铸造

6.1 引言

6.2 合金化元素添加量的优化

6.3 TiB2及Ni复合添加的TiAl合金显微组织分析

6.4 TiB2及Ni复合添加的TiAl合金力学性能研究

6.5 TiB2及Ni复合添加的TiAl合金流动性分析

6.6Ti-48Al-2Cr-2Nb-(Ni, TiB2)合金弯管铸件的熔模精密铸造

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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