钛铝合金定向凝固液固界面组织研究(2)

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结论 19

致谢 20

参考文献 21

1 引言

1.1 课题研究背景

随着航空航天技术的发展，对高温结构材料的性能要求越来越高，不仅要求强度高，而且要求重量轻、高温性能好等。目前，传统的高温合金铁镍基高温合金的开发已接近其极限，同时由于比重大，已经难以全面满足高性能发动机的要求。因此轻质高温材料的研制日益迫切。与传统的高温合金相比，金属间化合物的使用温度更高，同时它们的一些性能正好弥补了高温合金与高温陶瓷的一些不足。其中TiAl合金兼有金属的高温韧性及陶瓷的高温性能，另外还具有低密度、优异的高温强度、良好的抗氧化性和抗蠕变性等优异性能，因而成为有巨大应用潜力的先进高温结构材料[1-3]。

目前已有开始利用TiAl 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[4]。尤其是经过定向凝固的, 具有单一取向组织的TiAl基合金将拥有更好的应用和发展空间, 这是由于与铸造的等轴晶相比, 采用定向凝固方法可制备出具有平行于生长方向的具有单一片层取向排列的柱状晶, 会使TiAl在750℃左右的高温蠕变变形量减小,且蠕变速率降低, 并且其持久寿命也远高于商业化的多种铸造γ-TiAl合金[5]。

与普通TiAl合金相比，高Nb-TiAl合金由于低密度、更优异的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能，成为具有应用潜力的新型先进高温结构材料，目前也越来越受到人们的关注[6 -8 ]。然而由于钛铝合金具有本质脆性，并且其室温塑性及热加工性能也随着高Nb含量的加入变差，限制了其在涡轮机及航空材料应用上的进一步推广。经研究发现，定向凝固技术能极大提高TiAl合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，从而为其提供了更广阔的应用前景[9 ,10 ]。该技术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，获得特定的取向片层的目的。

1.2 TiAl基合金的组织结构

TiAl基合金根据铝含量的不同可分为单相γ-TiAl合金和由γ基体相（TiAl）和少量的第二相α2相（Ti3Al）组成的双相合金，其中单相γ-TiAl合金含Al量在50%以上，γ+α2双相TiAl合金含Al量较低(一般在43%-48%之间)。研究成果表明，γ+α2双相TiAl合金的强度和塑性都明显比单相γ-TiAl合金优异，因而广泛开展应用研究的是双相TiAl合金。

钛铝合金二元相图

图1.1 钛铝合金二元相图

一般来说，一种合金的性能与其显微结构息息相关，因此对于高温γ-TiAl片层结构，其力学性能有很强的方向性。为了揭示片层取向与性能的关系，Yamaguchi等人制备了具有单一取向的全片层 PST(polysynthetictwinned)晶体，经研究发现[11]：合金的强度与塑性明显各向异性。图1.2所示为用PST晶体所测定的屈服强度与塑性随片层取向与承载方向夹角的变化，可以看出，当外加载荷垂直于片层时屈服强度虽最高，而延伸率极低。综合而言，当外加载荷与片层界面平行时，可以获得最佳的强度与塑性的综合。

图1.2 PST结构屈服强度及塑性随片层与应力轴方向夹角的变化[11]

1.3 TiAl基合金的研究发展趋势

目前金属间化合物是高温合金的重要研究方向，同时TiAl金属间化合物更是国际上研究的热门。经过多年的研究，TiAl基合金已经取得了许多重大突破，目前已经进入实用化阶段。美国GE公司采用Ti-48A1-2Cr-2Nb合金制备的GEnX低压涡轮第6、7级叶片在波音787民用客机上使用，并于2007年2月成功地参与完成了第一次飞行试验。奥地利Plansee公司也计划把该公司研制的Gammamet一1000型TiAl合金板材应用到欧洲未来的飞机A3XX以及美国NASA在研究的新型可重复使用的航天飞机部件上。德国ALD公司采用水冷铜坩埚熔炼工艺成功地浇注了TiAl合金排气阀，并用于奔驰轿车的发动机上[12]。论文网