直流电流对TiAl基合金定向凝固过程的影响

摘要

由于TiAl基合金具有高比强度、高比刚度以及良好的高温抗氧化、抗蠕变和抗氢脆等特性,是一种优秀的耐热轻质材料,在提升发动机工作效率方面应用潜力很大,是下一代的新型高温结构材料。然而,TiAl基合金的室温塑性差,限制了TiAl基合金的推广及应用。控制材料的凝固过程是提高铸件性能和开发新型材料的重要途径,近年来出现了许多新型的凝固技术,这些新技术借助于外场的引入会影响凝固过程,从而提升材料的性能,其中电流凝固技术则是研究比较多的一个研究方向,但是目前的研究大多集中于研究电流作用对低熔点合金的影响,对于高熔点的金涉及较少。本文对电流作用下的TiAl基合金定向凝固过程进行了研究,重点考察了电流对TiAl基合金定向凝固组织的影响。
　　首先建立了一种适用于在TiAl基合金定向凝固过程进行电流作用的实验方法和用数值计算模拟研究了感应加热线圈的匝数以及线圈内输入电流大小对定向凝固TiAl基合金试样上磁感应强度分布的影响,为电流作用下定向凝固实验及其实验工艺参数的确定提供了理论依据。发现随着感应加热线圈内输入电流的增大,磁力线的分布状态并不受影响,然而随着线圈匝数的减少则会显著降低试样内在固液界面处的磁感应强度。
　　为能够直观地观察电流对TiAl基合金定向凝固过程的影响,采用一种透明AMPD-4.1at％SCN亚包晶模拟物来近似代替实验中所采用TiAl基合金,进行了物理模拟实验。通过研究发现随着电流密度的逐渐增大,亚包晶模拟物AMPD-4.1at%SCN的定向凝固过程中的包晶β相一次枝晶间距呈直线下降。
　　设计改进了电流作用下的定向凝固实验装置,采用成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb的TiAl基合金进行了不同电流密度下的定向凝固实验,并获得了在不同电流密度作用下的TiAl基合金定向凝固试样。研究发现随电流密度的不断升高初始凝固区与稳定生长区的界面从凸形逐渐变成了平滑的直线,使定向凝固生长过程中固液界面的受热分布更加均匀。当加载的电流密度在0~60.6mA/mm2的范围内变化时,会抑制Ti-48Al-2Cr-2Nb合金定向凝固过程中形成柱状晶组织,而促进形成等轴晶组织。当加载的电流密度增加到90.9mA/mm2时,电流的作用会促进Ti-48Al-2Cr-2Nb合金定向凝固过程中形成柱状晶组织,且能细化柱状晶。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及目的

1.2 外场作用下凝固技术的研究进展

1.3 电流对凝固过程及其组织和性能的影响

1.4 改善钛铝基合金组织性能的途径与方法

1.5 存在问题与本文研究内容

第2章 研究路线与研究方法

2.1 研究路线

2.2 实验材料

2.3 实验研究方法

2.4 分析测试方法

第3章 电流定向凝固的电磁场数值分析

3.1 引言

3.2 基于ANSYS的电磁场数值计算方法

3.3 ANSYS模拟结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 电流对类包晶合金模拟物定向结晶过程的影响

4.1 引言

4.2 类包晶合金模拟物的选择及其物理相似

4.3 电流对定向结晶过程初生相析出的影响

4.4 电流对定向结晶过程包晶相生长的影响

4.5 电流对一次枝晶间距的影响

4.6 电流对枝晶生长速率的影响

4.7 电流影响的亚包晶模拟物结晶生长机制分析

4.8 本章小结

第5章 电流对TiAl基合金定向凝固组织的影响

5.1 引言

5.2 电流作用下定向凝固TiAl基合金方法研究

5.3 电流作用下Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的定向凝固组织分析

5.4 电流作用下定向凝固的微观组织和成分分析

5.5 有无电流作用的Ti-48Al-2Cr-2Nb显微硬度分析

5.6 电流影响的TiAl基合金定向凝固机制分析

5.7 本章小结

结 论

参考文献

声明

致谢