TiB2及Ni對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金凝固組織與性能的影響.pdf

1、Ti-48Al-2Cr-2Nb合金作為一種鑄造TiAl合金，具有高比強(qiáng)度和比模量，良好的高溫抗氧化及斷裂抗性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天工業(yè)及汽車工業(yè)領(lǐng)域中極具應(yīng)用前景。但是Ti-48Al-2Cr-2Nb合金鑄態(tài)組織為粗大柱狀晶組織，影響了其力學(xué)性能的發(fā)揮，并導(dǎo)致了力學(xué)性能的各向異性。如何細(xì)化鑄態(tài)組織晶粒尺寸，獲得均勻的等軸組織是當(dāng)前鑄造TiAl合金的研究熱點(diǎn)。本文通過在熔煉過程中添加 TiB2及 Ni來控制合金凝固組織并改善其力學(xué)性能與成形能力

2、，對凝固組織演化、組織細(xì)化機(jī)理、力學(xué)性能及熔模精密鑄造等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　采用真空非自耗電弧熔煉制備了不同 TiB2含量的 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，研究結(jié)果表明隨TiB2含量的增加，合金鑄態(tài)顯微組織由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，添加0.3％（原子比，下同）及以上的TiB2時(shí)合金晶粒尺寸細(xì)化至200μm。等B含量的單質(zhì)B和TiB2對合金的晶粒細(xì)化效果一致，但是添加單質(zhì) B的合金鑄態(tài)組織中存在氣孔缺陷。合金中的硼

3、化物均為C32結(jié)構(gòu)的TiB2顆粒，共有片狀、塊狀和桿狀三種形貌，均為原始添加的TiB2顆粒溶解-再析出的產(chǎn)物。片狀TiB2顆粒為納米尺度的片狀B2相和TiB2平行排列組成，兩相具有特定位向關(guān)系：[12-13-]TiB2//[011]B2，(12-12)TiB2//(02-2)B2，是 L→β+TiB2共晶反應(yīng)的產(chǎn)物。這種含β/B2相的片狀TiB2對α相的輔助形核作用和和固-液前沿B原子引發(fā)的成分過冷是此類含TiB2的TiAl合金晶粒細(xì)化

4、的主要機(jī)理。
　　采用水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉工藝（ISM）制備含TiB2的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，研究結(jié)果表明0.4%及以上的 TiB2添加使合金顯微組織由粗大的柱狀晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶組織，晶粒尺寸由700μm細(xì)化至100μm，片層尺寸由400nm細(xì)化至185nm以下。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的拉伸性能和斷裂韌性均表現(xiàn)出顯著的各向異性，硬取向試樣具有最高的室溫拉伸強(qiáng)度（600MPa）和斷裂韌性（20.89

5、 MPa·m1/2），而軟取向試樣則表現(xiàn)較差。T4822-0.4TiB2合金的綜合力學(xué)性能表現(xiàn)較好，提出了TiB2細(xì)化的TiAl合金中橋連韌化、片狀硼化物致裂紋彎曲和桿狀硼化物橋連作用三種韌化機(jī)制。在高冷卻速率下合金的顯微組織和硼化物尺寸得到細(xì)化，中速冷卻時(shí)（1.2×103 K/s）合金力學(xué)性能最好，T4822-0.4TiB2合金室溫拉伸 UTS達(dá)到550MPa，εf為0.36%。適量的 TiB2可以提高TiAl合金熔體的流動性。

6、>　　研究了Ni合金化對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金顯微組織和性能的影響，結(jié)果表明3.0%以上 Ni元素的添加使合金顯微組織由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，片層團(tuán)尺寸由700μm細(xì)化至50μm。Ni元素的添加導(dǎo)致了六方結(jié)構(gòu)的τ3相的形成和塊狀γ相的增多。τ3相和塊狀γ相的體積分?jǐn)?shù)隨 Ni含量增加而增多，T4822-4.0Ni合金中兩相的體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到7.9%和39.5%。富鎳τ3相的納米硬度值達(dá)到8.6GPa，遠(yuǎn)高于片層團(tuán)和塊狀γ相的

7、硬度值。T4822-0.5Ni合金表現(xiàn)出良好的室溫拉伸強(qiáng)度，UTS達(dá)到630MPa，但是εf為0.15%，較基體合金降低15%。隨著 Ni含量增加，含鎳 TiAl合金的室溫拉伸性能呈下降趨勢，合金中硬而脆的τ3相應(yīng)是其低溫拉伸強(qiáng)度有所提高而塑性較差的原因。Ni合金化提高了合金高溫拉伸的εf，同時(shí)降低了合金的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。T4822-0.5Ni合金表現(xiàn)出最高的室溫?cái)嗔秧g性，KIC達(dá)到20.5 MPa·m1/2，但是隨著Ni含量進(jìn)一步增加斷

8、裂韌性反而降低，T4822-4.0Ni合金的KIC僅為11.74MPa·m1/2。1380℃/30min/爐冷的熱處理可以有效消除含鎳TiAl合金中的塊狀γ相，τ3相在熱處理過程中發(fā)生熔化反應(yīng)：τ3+γ→α+L，Ni元素除固溶在基體合金中以外還以微米尺度的桿狀和不規(guī)則形狀的τ3重新在片層界面和晶界處析出，熱處理后合金的拉伸性能得到提高。適量的Ni元素可以提高TiAl合金熔體的流動性。
　　結(jié)合前文 TiB2和Ni元素對Ti-48A

9、l-2Cr-2Nb合金組織和性能的研究結(jié)果，確定TiB2及Ni的最佳添加量分別是0.4%和0.5%。采用ISM工藝制備Ti-48Al-2Cr-2Nb-0.5Ni-0.4TiB2合金，鑄態(tài)組織由片層團(tuán)、塊狀γ相和τ3相組成，平均晶粒尺寸為100μm，片層尺寸達(dá)到210nm。該合金的力學(xué)性能較基體顯著改善，主要?dú)w因于組織的細(xì)化和均勻化，以及少量的τ3相和塊狀γ相。采用工業(yè)級20kg水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉設(shè)備成功澆注出無缺陷的T4822-(N