冷坩埚定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb组织与持久性能研究

摘要

Ti Al基合金具有高的比强度、比刚度和高温抗氧化性能以及抗高温蠕变性能，使其成为航空航天结构件的潜在选用材料之一，不断提高Ti Al基合金的高温力学性能是保证其安全可靠使用的关键因素之一。高温持久强度是衡量结构材料在高温条件下安全使用可靠程度的重要指标之一，然而目前有关Ti Al基合金组织对高温持久性能影响的研究还相对较少，不利于对Ti Al基合金高温使用性能的综合预估，因此深入研究其高温持久强度和预测持久寿命对Ti Al基合金的研究具有重要的理论和工程意义。
　　本文利用电磁冷坩埚定向凝固技术制备了具有定向凝固组织的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金方锭，研究了定向凝固时抽拉速度变化对其凝固组织的影响。采用高温蠕变持久试验机测试了定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的持久性能，绘制持久寿命曲线，并在给定温度条件下，建立了定向凝固合金的持久强度与高温抗拉强度之间关系的数学模型，为TiAl基合金持久寿命预测奠定了基础。
　　随着抽拉速度的提高，定向凝固的固/液界面下凹程度增大，柱状晶生长方向与抽拉方向的夹角增大，柱状晶的二次枝晶臂变得发达，但晶粒尺寸和片层间距逐渐减小。抽拉速度与片层间距之间满足关系式：
　　随着抽拉速度的提高，定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的室温以及高温拉伸力学性能均增加。抽拉速度为1.2mm/min时，室温抗拉强度达到568MPa，伸长率达到1.5％，800℃抗拉强度达到458MPa，伸长率达到5.1%。抽拉速度为1.0mm/min时，高温拉伸强度随温度变化的函数关系式：σ0=237.85714+1.742000(T-273)-0.001857(T-273)2。对拉伸试样的断口形貌分析表明，断裂方式由沿着片层面和穿越片层面的混合断裂组成，无论室温还是高温下其均表现为脆性断裂，但高温时局部微区会存在延性断裂，800℃时高温抗拉强度与片层间距的关系式σb=374.5+0.238λ-0.5。
　　测定了两个温度不同应力状态下的定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的高温持久性能。结果表明，抽拉速率为1.0mm/min时持久试样在650℃/175MPa状态下的持久寿命最长达到89h，定向凝固试样的持久寿命远高于铸态试样。温度的升高和应力的增加均使试样持久寿命降低，当试验条件相同时，抽拉速率为1.2mm/mi n的定向凝固试样其持久寿命最高。断口形貌分析表明Ti A1基合金的片层组织稳定性在很大程度上决定了材料的持久强度高低，层片越密集，其组织稳定性越高，持久寿命也增加。定向凝固持久试样的断裂方式主要是穿片层断裂和沿片层的撕裂，这与高温拉伸的断裂方式相类似。当温度升高至800℃时，该合金的持久塑性得到提高。
　　通过线性回归方程在双对数坐标上绘制出应力-断裂时间曲线，并拟合得到经验方程式lnσ=6.209912-0.232990lnt，并依据此方程外推得到650℃持久时间为500h时持久强度值为116.98MPa。应用Larson-Miller和Manson-Haferd参数法建立了持久强度预测模型，只需通过测试定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb高温瞬时拉伸强度就可以计算推测出材料的持久强度。采用这两个模型得到的预测值与实测值十分接近，同时发现 Larson-Miller和Manson-Haferd参数的取值不是固定不变的，并受到温度的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3 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电磁冷坩埚定向凝固设备

2.4 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金组织分析

2.5 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金室温与高温拉伸性能试验

2.6 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金持久性能试验

第3章 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的制备与凝固组织

3.1引言

3.2定向凝固Ti-47A l-2C r-2Nb合金的制备

3.3定向凝固坯锭表面质量

3.4定向凝固Ti-47A l-2C r-2Nb合金的宏观组织

3.5定向凝固Ti-47A l-2C r-2Nb合金的显微组织

3.6定向凝固Ti-47A l-2C r-2Nb合金的相组成

3.7本章小结

第4章 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb的拉伸性能

4.1引言

4.2 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的室温拉伸性能

4.3 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的高温拉伸性能

4.4 本章小结

第5章 定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的持久性能

5.1引言

5.2持久寿命测试

5.3 持久性能

5.4持久变形机理

5.5断口形貌分析

5.6持久强度预测模型

5.7本章小结

结论

参考文献

声明

致谢