Ti--6Al--4V合金与Ti--TiBw复合材料定向凝固行为

摘要

钛合金及钛基复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在航空、航天、能源、化工等领域得到了广泛应用。随着科技的迅猛发展，研发具有优良综合性能的新型钛材及其复合材料引起了人们的极大关注。定向凝固技术可显著改善材料的微观组织，从而提升各向异性材料在特定方向的性能。在TiB晶须增强Ti基复合材料中，TiBw晶须的分布状态以及TiBw与基体之间的位向关系对材料性能具有重要影响，基于此，本课题提出了采用定向凝固技术制备TiBw晶须增强Ti基复合材料的思路，在此基础上研究定向凝固行为对其微观组织和性能的影响。 本文采用Bridgman定向凝固方法，对纯Ti(TA1)、Ti-6Al-4V(TC4)合金以及Ti-TiBw复合材料的定向凝固行为进行了研究。通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)，电子背散射衍射(EBSD)等方法系统分析了定向凝固参数对TA1、TC4合金及Ti-TiBw复合材料的微观组织的影响，利用XRD结合EBSD对以上材料的微观组织及其取向行为进行了探讨，揭示了抽拉速率对凝固组织的影响规律，阐释了以上材料在不同条件下的定向凝固生长行为，并研究了TiBw增强Ti复合材料基体与增强相在定向凝固过程中的相互影响，主要研究结果如下： 在TA1纯钛定向区，随着抽拉速率的降低，其对一次枝晶择优生长的影响逐渐增强，当抽拉速率降至5μm/s时，在定向区基本实现了试样一次枝晶沿抽拉方向的定向生长。通过对XRD衍射图谱相对峰强变化的分析，定性的研究了材料晶体取向的变化规律。 在Ti-6Al-4V合金中，5μm/s时实现一次枝晶的的定向生长，合金元素Al、V对一次枝晶定向生长影响较小。由于定向凝固过程中温度梯度的影响，试样不同区域显微组织发生明显变化，在定向区，横向晶界被消除，晶体内部发生复杂的固态相变，基体α片层组织发生扭曲、碎断，最终形成等轴状组织。 在Ti-TiBw复合材料中，TiBw晶须在定向凝固条件下的演变主要发生在未溶过渡区，在该区域中，原始挤压态材料中碎断、聚集在一次颗粒边界层的TiBw晶须在定向凝固条件 下得到充分的融合及长大，并实现了TiBw晶须的定向生长。结合EBSD与XRD分析，发现未溶过渡区基体组织相邻晶粒位相差减小，晶粒取向发生了改变，基体组织出现了较强的织构取向。

目录

声明

1绪论

1.1前沿

1.2 钛及钛合金

1.2.1 钛及钛合金的性质

1.2.2 钛及钛合金的相变

1.2.3钛的合金元素及其作用

1.3 钛合金的发展及应用

（1）在航空天上的应用

（2） 在船舶上的应用

（3） 在化工行业的应用

（4） 在汽车产业的应用

（5） 在医疗领域的应用

1.4钛基复合材料研究现状

1.4.2 增强相的选择

1.5定向凝固技术及其研究现状

1.5.1定向凝固技术

1.5.2 定向凝固技术的发展

1.5.3 定向凝固方法

1.5.4 Bridgman定向凝固过程中的热流分析

1.5.5钛合金定向凝固技术研究现状

1.6研究目的与意义

1.7 研究内容与研究路线

1.7.1 研究内容

1.7.2 研究路线

2. 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验材料的选择

2.1.2 造型材料（坩埚）的选择

2.2 实验仪器与设备

2.2.1 主要实验设备——快速定向凝固炉

2.2.2 其他设备

2.3 显微组织分析及设备

2.3.1 试样的处理

2.3.2 XRD衍射物相分析

2.3.3 微观结构与形貌分析

2.3.4 EBSD晶体取向分析

2.4 实验流程图

3 TA1纯钛的定向凝固行为

3.1 TA1纯钛的显微组织分析

3.1.1 不同抽拉速率未溶区及启动界面处显微组织

3.1.2 不同抽拉速率定向区域显微组织

3.2 TA1纯钛组织的X射线衍射分析

3.3 本章小结

4 Ti-6Al-4V合金的定向凝固行为

4.1纵截面显微组织分析

4.1.1 Ti-6Al-4V合金组织形态演变

4.1.2 不同抽拉速率固液共存区显微组织

4.1.3不同抽拉速率定向区域显微组织

4.1.4 不同抽拉速率定向区与淬火区界面·

4.2横截面显微组织

4.3 EDS能谱分析

4.4 XRD衍射分析

4.5 本章小结

5 Ti-TiBw复合材料的定向凝固行为

5.1 Ti-TiBw复合材料的显微组织分析

5.1.1 纵截面显微组织分析

5.1.2 横截面显微组织分析

5.2 Ti-TiBw复合材料的XRD衍射分析

5.3 Ti-TiBw复合材料的EBSD取向分析

5.3.1 EBSD取向差分析

5.3.2 极图与反极图

5.4本章小结

6 结论

致谢

参考文献