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2.4 试样的定向热处理 15
2.5 实验结果和分析 18
2.5.1 定向凝固 18
2.5.2 定向热处理 24
2.6 本章小结 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论
1.1 选题意义和课题背景
TiA1基金属间化合物(也称TiA1合金)是一种新型轻质的高温结构材料，密度不到镍基合金的50％ ，具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，并具有优异的常温和高温力学性能，使用温度可达到700～1 000℃ ，成为当代航空天工业、兵器工业以及民用工业等领域的优秀候选高结构材料之一，具有重要的工程化应用潜力。若TiA1基合金与高温合金及高温陶瓷材料1的性能对比，TiA1基合金的比强度，比寿命，导性，韧性及可加工性均优于或接近于高温合金，而密度却大为减少。
TiA1金属间化合物具有金属和陶瓷的双重优点，是650一1000℃下使用的最佳候选高温结构材料，近年来备受关注。TiA1基合金与普通高温合金和钦合金相比，具有明显优势:(1)密度低，仅为4g/cm3;(2)刚度高，20℃时， E=175GPa(钛基合金为120GPa，镍基合金为200GPa);(3)在850℃以下具有高的高温强度和优良的抗氧化性;(4)低的线膨胀系数和高的热传导性。由于提高工作温度和减轻重量是提高航空发动机性能重要指标，TIAI基合金是一种理想的、极具开发潜力的航空航天用高温结构材料，其中以γ相(TiA1）和α2相(Ti3Al)组成的双相片层结构TiA1合金塑性、强度等综合性能最佳。图1-1所示为TiA1合金的比强度在各种温度下与其它合金系的对比。
不同温度时TiA1基合金的比强度与其它合金比较
目前已有开始利用TiA1基合金研制航空发动机低压涡轮叶片、静叶片、汽车发动机增压叶轮、排气阀等构件的报道。尤其是经过定向凝固的，具有单向组织的TiA1基合金将拥有更好的应用和发展空间。特别是由 TiA1（γ）相和少量 Ti3Al（α2）相所形成的全片层组织材料，显示出了良好的室温与高温综合性能。尤其当片层取向合适时，由于这种合金具有明显的各向异性，这使其更适合于象航空发动机叶片等只承受一维载荷的场合。因而受到了许多研究人员的广泛关注，并把这种合金作为替代Ni 基合金的理想材料进行了大量的研究。
定向凝固技术又称单向凝固或者单向结晶，是使金属或者合金由熔体中定向生长晶体的一种工艺方法。有研究表明，定向凝固技术制备的具有单一取向的全片层多孪晶合成晶体组织在沿片层方向上的延展性和蠕变性能、以及垂直于片层方向上的断裂韧性都比普通TiA1合金有明显地提高[1,2]。它通过利用凝固时热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制晶体取向，消除横向晶界，获得特定的片层方向的目的。
1.2 TiA1 基合金定向凝固技术和研究现状
1.3 定向固态相变
研究学者们认为：[7]控制定向凝固显微结构的主要问题是：由于γ /α2片层结构一般是在固态相变中由α 母相形成，它不仅受凝固过程的影响，在很大程度上还受固态相变的影响，γ 相不仅可以由液相析出的α 母相形成，还可以由液相中析出的 β 相变转为α 相的母体形成，而且还可以由液相中直接析出。这样，γ - TiA1片层的取向就不仅决定于它本身形成的条件，也受母相形成条件的影响。图 1-7为γ -TiA1 相图中初生相分别为 β 或α 相时，母相凝固生长取向与γ - TiA1片层取向的关系。前者促使γ -TiA1 片层与生长方向成 0°或45°的交角，后者则使 γ -TiA1片层垂直于母相的晶体择优取向。如果凝固过程中γ 相形成于不同的母相，总体上控制γ 片层的结构与取向将更为困难。除此之外，定向凝固包晶反应过程中相的竞争与选择及界面形态的演化也将同时对γ - TiA1的凝固组织给予重要的影响。