电磁冷坩埚连续熔铸钛铝铌合金研究

摘要

TiAl基合金密度较低，比强度以及比刚度较高，高温情况下其强度、抗氧化性以及抗蠕变性等性能都较为优异，因此TiAl基合金材料在航天航空等领域也得到了越来越多重视与应用。而在室温情况下，其塑性与韧性都较差，这些缺点也制约了其进一步发展。TiAl基合金具有四种典型组织，其中由γ-TiAl相与α2-Ti3Al相所组成的全片层组织，其断裂韧性与强度等综合性能较为优良。由于钛的化学活性较大，为控制TiAl基合金组织同时避免污染，本课题组利用多功能冷坩埚电磁约束精确成形定向凝固设备对合金进行连续熔铸和定向凝固试样制备。
　　本课题首先通过德国ALD公司生产的水冷铜坩埚真空感应熔炼炉（ISM）自行配制原料熔炼 Ti44Al母合金锭和Ti48Al母合金锭。再通过电磁冷坩埚对 TiAl合金外加高纯铌丝进行钛铝铌三元合金的连续熔铸实验与定向凝固实验。
　　课题对 Ti44Al(Nb)进行功率（温度梯度）参数控制，而对 Ti48Al(Nb)进行抽拉速度（凝固速率）参数进行控制。实验结果发现，Ti44Al(Nb)合金组织定向效果较好，且随着功率的增大，其枝晶形态由枝状-胞枝状-胞状转变，其片层间距逐渐减小，片层方向和生长方向夹角也逐渐减小；而 Ti48Al(Nb)合金组织定向效果不好，存在CET转变，分析原因是由于外加铌丝的作用，固液界面前面存在大量形核质点，并且等轴晶拥有足够时间进行生核和长大。同时通过对合金各区域进行成分分析，发现其合金均一性较好，与预先设计成分相符。
　　同时对钛铝铌三元合金和铸态组织进行性能测量，通过实验结果分析发现经过外加 Nb元素定向凝固的Ti44Al(Nb)合金较铸态铸锭的室温压缩强度和室温拉伸强度有一定程度的提高，最高分别可达1770MPa和455MPa，而弯曲强度、弯曲挠度和断裂韧性提高较为明显，分别达到994.5MPa、0.6mm和23.5MPa·m1/2。而 Ti48Al(Nb)定向效果不好，规律性并不明显，其室温压缩强度和室温拉伸强度与铸态相比也有一定的提高，而弯曲强度和断裂韧性方面也略有提高。说明等轴晶和柱状晶全片层组织的室温压缩和拉伸强度相差不明显。而对于弯曲强度和断裂韧性来说，柱状晶全片层组织优势明显。在高温时其高温压缩强度随着应变速率的增加也进一步增加，而温度提高，其压缩强度却进一步下降。经过定向凝固后的合金较铸态等轴晶组织的高温压缩强度提高明显。通过观察分析室温拉伸、室温弯曲和室温断裂韧性等实验的试样的断口分析得知，拉伸强度断裂方式为穿片层的开裂和沿片层的撕裂，存在河流花样是典型的解理断裂特征，虽然强度得到一定的提高，但是其断裂方式仍为脆性断裂。

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第1章绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 TiAl基合金在国内外研究的进展

1.3电磁冷坩埚连续熔铸和定向凝固技术研究进展

1.4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

2.2实验材料

2.3多功能冷坩埚电磁约束精确成形定向凝固设备

2.4连续熔铸和定向凝固钛铝铌合金组织分析

2.5连续熔铸和定向凝固钛铝铌合金常规力学性能分析

第3章钛铝铌三元合金的制备与凝固组织

3.1引言

3.2钛铝铌三元合金的制备

3.3连续熔铸和定向凝固钛铝铌合金的宏观组织

3.4连续熔铸和定向凝固钛铝铌合金的显微组织

3.5钛铝铌合金的相组成

3.6本章小节

第4章钛铝铌三元合金的力学性能分析

4.1引言

4.2钛铝铌三元合金的室温压缩强度分析

4.3钛铝铌三元合金的室温拉伸强度分析

4.4钛铝铌三元合金的弯曲强度分析

4.5钛铝铌三元合金的断裂韧性分析

4.6钛铝铌三元合金的高温压缩强度分析

4.7断口分析

4.8本章小结

结论

参考文献

声明

致谢