微量Si改善铸造TiAl合金定向层片组织持久性能研究

研究添加0.2%(原子分数)Si对定向层片组织TiAl合金持久性能的影响。实验表明,添加微量Si可显著提高TiAl合金800℃/220MPa条件下的持久寿命;800℃/300MPa和850℃/220MPa条件下,TiAl和TiAl-0.2Si合金持久寿命均明显减少,但微量Si提高TiAl合金持久寿命的作用却相对更大。组织观察表明,TiAl-0.2Si合金铸造组织中已有Ti5Si3型析出相,但仍具有层片组织取向一致的特征。根据持久实验前后及中间取样的组织对比分析结果,认为添加微量Si提高了层片组织的稳定性,从而减缓层片组织的退化、提高了TiAl合金定向层片组织的持久寿命。

微量Si、C对铸造TiAl合金定向层片组织与持久性能的影响

在Ti-47.5Al-3.7(Cr,V,Zr)(at.%,以下均同)合金中添加0.2at.%Si、0.1at.%C以研究微量Si、C对铸造形成的定向层片组织及持久性能的影响。组织观察发现,添加微量的Si、C可生成富Si和富C的析出相,但不改变层片组织的取向特征。微量的Si、C通过增加定向层片组织的稳定性显著提高了其持久寿命,其中C的加入对持久寿命的提高幅度更大,还使持久断后伸长率有所减小。

工艺参数对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷影响的数值模拟

采用数值模拟方法研究了离心铸造工艺参数对TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响,并根据凝固温度场对影响的原因进行了分析。结果表明,提高浇注温度,补缩效果提高,当浇注温度为1 600℃时缩孔缺陷水平最低;提高型壳预热温度,补缩效果提高,缩孔缺陷水平降低;提高浇注速度,补缩效果降低,缩孔缺陷水平提高;提高离心转速,补缩效果提高,缩孔缺陷水平降低。

浇注系统对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响

采用数值模拟方法研究杆形件直径和补缩冒口结构对离心铸造TiAl合金杆形件缩孔缺陷的影响,并根据充型和凝固温度场对影响的原因进行分析。结果表明:杆形件直径由16mm增加到20mm,并进一步设计成入口处直径20mm、远端直径16mm的锥形,杆形件补缩通道被阻塞的趋势逐渐减小,用于补缩的金属液温度提高,凝固时间逐渐增长,因而补缩效果提高,杆形件缩孔缺陷水平逐渐降低;基于杆形件的锥形设计,相比无补缩冒口的杆形件,增加环形补缩冒口,充型时金属液顺序凝固趋势减弱,凝固时用于补缩的金属液温度降低,凝固时间缩短,因而补缩效果降低,缩孔缺陷水平略有提高;增加锥形补缩冒口,充型时金属液顺序凝固趋势增强,凝固时用于补缩的金属液温度提高,凝固时间增长,因而补缩效果提高,缩孔缺陷水平降低。优选最佳设计进行了浇注实验,杆形件剖面最大缺陷孔隙率平均值与模拟实验的结果基本一致。

定向层片组织铸造TiAl合金的热等静压温度选择

研究热等静压温度对定向层片组织常规铸造Ti Al合金层片分解程度和室温拉伸性能的影响,以期优选出适于定向层片组织的热等静压温度。结果表明:在1250℃热等静压处理,析出过多的等轴γ晶粒,降低了该合金的室温拉伸强度;在1290℃热等静压处理,发生层片粗化和生成随机取向二次层片,破坏了取向一致性,降低了室温拉伸性能的稳定性。在1270℃等静压处理,等轴γ晶粒析出量较少,且未见明显的层片粗化和二次层片,所得组织保持较好的层片组织完整性和取向一致性,并表现出最佳的室温强度、塑性和性能稳定性。确定适于定向层片组织铸造Ti Al合金的热等静压温度是1270℃。

铸造TiAl合金的凝固偏析特征

采用扫描电镜背散射模式和电子探针成分分析研究了TiAl合金铸锭的凝固偏析特征。结果表明,沿柱状晶生长方向合金元素不存在宏观偏析。TiAl合金铸锭的微观偏析按照衬度差别可分为三个区域,呈网状分布的暗灰色区域,以及网格中间的灰色和灰白色区域,其中灰白色区域呈现枝干分布特点。合金元素Ti和V在灰白色区域的含量最高,暗灰色区域的含量最低。Al在暗灰色区域的含量最高,灰白色区域的含量最低。Cr在暗灰色区域的含量最高,灰色区域的含量最低。平行柱状晶生长方向和垂直柱状晶生长方向合金元素的微观偏析特征没有差别,柱状晶内和柱状晶界附近合金元素的微观偏析特征也没有差别。

铸造高铌Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr合金的热处理工艺

研究了热处理工艺对Ti-48Al-7Nb-2.5V-1.0Cr铸造合金组织、室温及900℃拉伸性能的影响。结果表明:铸造合金经1200℃/12 h/AC+1320℃/0.5 h/AC两步热处理后获得双态组织(DP);经1200℃/12 h/AC+1350℃/1 h/CC两步热处理后获得近片层组织(NL)。由拉伸实验结果可知,同合金铸态组织相比,DP和NL组织合金的室温塑性均得到明显的改善,断后伸长率由铸态的0.4%提高至双态组织的1.2%,近片层组织的1%~2%;但合金的室温及900℃的强度有不同程度的下降。

固溶处理对Ti-22Al-25Nb合金棒材组织与拉伸性能的影响

以Ti-22Al-25Nb合金棒材为试验对象,研究了固溶温度对合金棒材组织和室温拉伸性能的影响。结果表明:随着固溶温度的升高,α2/O相颗粒含量明显减少,B2相体积分数增加;合金的拉伸性能也随之变化,强度随固溶温度的升高而增加,塑性略有下降;断口形貌显示,Ti-22Al-25Nb合金在拉伸断裂过程中以准解理断裂为主。

铸造用TiAl母合金制备技术研究进展

目前,新型轻质高温结构材料TiAl合金铸造部件已经进入工业化生产阶段,急需工业级铸造用TiAl母合金的制造技术和评估体系作为支撑。结合了钢铁研究总院铸造TiAl合金工程化研究和应用成果,概述了国内外铸造TiAl合金材料和部件的工程化应用现状,在此基础上,提出了铸造TiAl母合金的化学成分、规格等技术要求,并进一步对比分析了2次自耗熔炼、自耗熔炼+凝壳熔炼、自耗熔炼+凝壳熔炼+自耗熔炼等母合金制备工艺的优缺点,最后提出了工业级铸造TiAl母合金的技术发展方向。

热处理工艺对Ti_(2)AlNb合金锻件显微组织和拉伸性能的影响

以Ti-22Al-25Nb合金某机匣用环形锻件为研究对象,研究了固溶温度和固溶时间对该锻件微观组织、室温和650℃高温拉伸性能的影响,揭示了显微组织与拉伸性能之间的关系。结果表明:固溶时效处理后形成了以等轴α2颗粒、一次板条O相和二次针状O相为主的双态组织。固溶时间的延长对微观组织影响较小。固溶温度的升高一方面会显著降低一次板条O相的含量,另一方面会显著增加时效过程中析出的二次针状O相含量。二次针状O相含量的增加降低了位错运动的平均自由程,增加析出强化作用,从而导致合金的室温强度和高温强度增加,反之塑性下降。

Ti-22Al-25Nb合金双尺寸板条组织不同温度拉伸性能研究

通过B2相区等温锻造工艺和O+B2相区固溶时效处理获得了Ti-22Al-25Nb合金双尺寸板条组织。研究了双尺寸板条在室温、400、600℃的拉伸性能,分析了断口特征,揭示了在不同温度下的拉伸断裂机制。结果表明:测试温度的变化显著影响双尺寸板条组织的拉伸性能。随温度的升高,双尺寸板条组织的强度下降,塑性提升。室温断裂机制为准解理断裂,断口特征以宏观解理断裂和微观条形刻面加撕裂棱为主;高温断裂机制为韧窝断裂,400℃断口特征以等轴浅韧窝和微孔为主,600℃断口特征呈现明显较大且深的等轴韧窝。

微量B元素对铸造Ti2AlNb合金组织与力学性能的影响

目的研究微量B元素对铸造Ti_(2)AlNb合金组织和力学性能的影响,优选出适合铸造工艺的Ti_(2)AlNb合金成分,为推进铸造Ti_(2)AlNb合金的应用提供理论和数据支撑。方法以Ti-22Al-25Nb(原子数分数,下同)、Ti-22Al-24Nb-0.1B、Ti-22Al-24Nb-0.2B合金为研究对象,采用光学显微镜、扫描电镜研究不同B含量合金铸态、热等静压态的宏、微观组织及析出相形态。采用XRD分析合金的物相组成,室温拉伸性能测试评价力学性能,通过扫描电镜观察拉伸断口,分析微量B元素对力学性能产生影响的原因。结果添加微量B元素可以明显细化Ti-22Al-25Nb合金的晶粒尺寸,随着B元素原子数分数增加至0.2%,晶粒尺寸由958μm减小至548μm。B元素在合金中主要以固溶态、TiB和TiB2针片状析出相形式存在,随着B含量的增加,硼化物长度和厚度尺寸略微增加、体积分数由0.3%增加至0.8%。0.1B合金的室温屈服强度、抗拉强度和伸长率与原合金水平相当,0.2B合金的屈服强度提升,但其抗拉强度和伸长率均降低。断口分析显示,0.2B合金塑性降低是硼化物增多、集中分布引起脆性断裂所致。结论综合B元素对流动性的改善效果,优选出适合铸造工艺的合金成分为Ti-22Al-24Nb-0.1B。

微量C对层片组织TiAl合金高应力蠕变变形的影响

通过研究C微合金化对层片组织Ti Al合金800℃/300 MPa蠕变变形行为、组织分解以及应变硬化的影响,以解释C微合金化对层片组织高应力蠕变变形均匀性的影响。结果表明:在Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr-0.2Zr合金中添加0.1%C(原子分数),显著改善了该合金的抗蠕变性能,其中,合金800℃/300 MPa蠕变变形进入第三阶段的时间增加了2.5倍,相同时间蠕变应变量降低了72%,同时使其最小蠕变速率降低了近一个数量级。添加C显著改善了该合金较高应力条件下抗蠕变性能及蠕变变形均匀性。其原因是C微合金化在合金层片团界和层片界面引入碳化物析出相,层片组织抵抗剪切变形的作用,从而延缓了蠕变变形过程中再结晶和层片组织分解的发生;同时,初始组织中的碳化物改善了合金的应变硬化能力,蠕变过程中在中断的γ层片台阶处析出的碳化物起到动态硬化效果,也是添加C改善Ti Al合金层片组织较高应力蠕变变形均匀性的原因。

C含量对铸造TiAl合金组织和力学性能的影响

在Ti-47.5Al-3.7(Cr,V,Zr)合金中添加0.05%~0.2%C(原子分数,下同),采用冷坩埚悬浮熔炼方法制备出了层片组织TiAl合金铸棒,通过组织观察、室温拉伸和蠕变性能测试研究了C含量对TiAl合金组织和力学性能的影响。结果表明,添加0.05%~0.2%C后,合金仍可获得择优取向层片组织。随C含量增加α2层片体积分数略有增加,层片间距呈细化趋势。当C含量超过0.1%时,在α2和γ层片内和层片界面上有细小的Ti2AlC型碳化物析出,碳化物析出相的尺寸和数量随C含量增加有所增加。添加0.05%~0.2%C后提高了合金室温的抗拉强度和屈服强度,且随C含量增加提升幅度逐渐增大,当C含量为0.2%时,分别将抗拉强度和屈服强度提升了101和123 MPa。添加C元素后显著改善了合金的蠕变性能,当C含量为0.1%时蠕变性能最佳,与不含C的合金相比,其塑性蠕变应变降低了一半、相同应变时的蠕变速率降低了1个数量级以上。添加0.1%C提升合金蠕变抗力的机制主要是通过抑制合金在蠕变初期的位错萌生和增殖过程;在γ层片中形成割阶和位错碎片阻碍位错继续运动,使得合金在蠕变第一阶段的应变硬化程度迅速增加;此外,析出的Ti2AlC型碳化物进一步强化层片界面和基体,与层片间距细化共同提高了穿层片滑移位错的运动阻力。

铸造TiAl合金定向层片组织的室温拉伸性能和断裂行为

评价了常规铸造Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr(at%)合金定向层片组织的室温拉伸性能和断裂韧性,并结合断口形貌分析其断裂行为。结果表明:该定向层片组织在承受平行于层片界面载荷作用时,表现出优异的室温抗拉强度和塑性组合,且其室温拉伸塑性可达到3.8%,明显优于其他铸造TiAl合金。其较高的室温拉伸塑性归因于定向层片组织的一致性和穿层断裂区发生较大程度的塑性变形。定向层片组织室温拉伸的主要断裂模式是穿层断裂,断裂起源于层片界面端部垂直于试样表面的TypeⅡ层片区域,而不是层片界面平行于试样表面的TypeⅠ层片区域。其主要原因是TypeⅡ层片具有比TypeⅠ层片低的裂纹萌生和扩展抗力。

铸造TiAl合金凝固组织的截面尺寸效应

采用数值计算和试验的方法,研究了直径30~50 mm Ti Al合金铸锭凝固组织的截面尺寸效应。结果表明:受径向散热和轴向散热竞争的影响,Ti Al合金铸锭的宏观组织存在竞争生长区、径向生长区和冒口影响区,随铸锭高径比增大,竞争生长区和冒口影响区占比减小,径向生长区占比增大。在径向生长区内,对于同一Ti Al合金铸锭,随散热距离的增加,柱状晶宽度增大,但增大的幅度逐渐减小;对于不同直径的Ti Al合金铸锭,在相同散热距离处,较大直径铸锭的柱状晶宽度更宽,且不同直径铸锭柱状晶宽度的差值随径向散热距离的增加而增大。通过拟合径向温度梯度和轴向温度梯度与铸锭直径和轴向散热距离的关系,建立了柱状晶生长方向与铸锭直径和轴向散热距离的关系。通过拟合温度梯度和凝固速率与铸锭直径和径向散热距离的关系,并耦合柱状晶宽度与温度梯度和凝固速率的关系,建立了柱状晶宽度与铸锭直径和径向散热距离的关系。

Nb含量对铸造高铝TiAl合金高温强度和室温塑性的影响

研究了Nb含量对铸造高铝Ti Al合金高温强度和室温塑性的影响。结果表明,合金900℃的抗拉强度随Nb含量的增加先升高后降低,Nb含量在4%-9%（原子分数）之间的高铝合金表现出优异的高温强度水平,其中7%Nb合金最高,达587 MPa。分析认为,在高Nb合金化固溶强化的基础上,Al/Ti反位缺陷造成的强化效应、层片组织处于拉伸硬取向以及应变诱发的形变孪晶强化也有可能是高Nb含量高铝铸造Ti Al合金900℃具有优异强度水平的重要机制。合金室温塑性随Nb含量的增加而呈线性下降,由2%Nb合金的1.2%降为9%Nb合金的0.3%,这可能是由于B2相随Nb含量的增加而显著增加所致。

Nb含量对铸造高铝TiAl合金室温拉伸性能的影响

研究了Nb含量对铸造高铝Ti Al合金(%,原子分数)Ti-48Al-x Nb-2.5V-1.0Cr(x=2,4,7,9),以下分别简称2Nb,4Nb,7Nb和9Nb合金)组织和室温拉伸性能的影响。组织观察发现:不同Nb含量合金宏观组织均为柱状晶组织,微观组织均为有取向层片组织。经X射线衍射(XRD)分析表明,不同Nb含量合金均由γ相、α_2相和少量的B2相组成,其中,γ相体积分数随Nb含量的增加而增多;α_2相体积分数随Nb含量的增加而减少;B2相含量由于含量较少无法定量,但从XRD谱及扫描电镜(SEM)背散射(BSE)图可定性得知,其含量随Nb含量的增加而显著增多。合金室温抗拉强度随Nb含量的增加而降低:由2Nb合金的648.2 MPa降为9Nb合金的613.8 MPa;但屈服强度却随Nb含量的增加而升高:由2Nb合金的561.1 MPa增为9Nb合金的613.5 MPa。合金室温延伸率随Nb含量的增加呈线性下降:由2Nb合金的延伸率1.2%,降为9Nb合金的0.3%。γ相的晶格常数c/a随Nb含量的增加而增大,这对合金的室温塑性有不利的影响。

常规铸造定向层片TiAl合金持久加载中的组织退化及改善途径

基于TiAl合金常规铸造定向层片组织与多孪晶合成晶体(polysynthetically twinned crystals,PST)的组织差别,详细讨论这些组织差别对常规铸造定向层片组织TiAl合金持久加载过程中组织退化的影响,并探讨降低这些不利影响的微合金化途径。结果表明:定向层片组织与PST晶体的差别主要包括存在层片团界和小角度取向差、Al元素成分偏析以及α_2相体积分数高于热力学平衡状态,同时,后续热等静压导致等轴γ晶粒析出和层片间距增加也是另外的明显差别。这些组织差别对定向层片组织持久加载过程中的组织退化造成不同程度的加剧作用。其中,Al元素成分偏析和α_2相体积分数过高促进了定向层片组织铸态试样的组织退化,热等静压试样中析出的等轴γ晶粒进一步加剧了其组织退化,这些均对定向层片组织持久寿命造成不利影响。而层片团界对组织退化的影响程度较小。此外,探讨了采用Zr、C、Si微合金化抑制持久加载过程中组织退化进而改善持久性能的可行性。

热处理对选区激光熔化成形Ti_(2)AlNb合金组织和力学性能的影响

通过激光选区熔化成形工艺制备Ti-22Al-25Nb合金,在此基础上研究不同热处理制度对微观组织组成、形貌及其力学性能的影响规律。结果表明,打印成形态的Ti-22Al-25Nb合金组织具有明显的横纵向差异,呈现沿Z轴向外延生长的柱状晶特征,微观组织组成主要为B2相,晶界和晶内均无明显α_(2)和O相析出。当热处理温度升高至1080℃后会发生柱状晶向等轴晶转变,由于晶界对协调塑性变形和抵抗裂纹扩展能力较差,导致其强度较低、塑性较差;在O+α_(2)+B2三相区960℃热处理,可保持柱状晶的形貌特征,晶内二次析出O相板条的尺寸主要与时效温度有关,O相析出尺寸随时效温度降低而减小,弥散析出的多尺度O相起主要强化作用,连续的B2相基体有利于塑性变形,晶界不连续析出相有利于协调塑性变形和抵抗裂纹沿晶扩展,HT2和HT3制度的强度和伸长率更高,断口也呈现明显的韧性断裂特征,最终优选960℃/2 h+820℃/6 h的热处理制度组合,室温拉伸性能可达到Ti_(2)AlNb锻件的力学性能水平。