论文部分内容阅读
本文采用高压凝固以及快速凝固方法分别制备了不同极端条件下的Ti-48Al合金,研究高压(GPa级)以及极快冷却速度(105~106K/s)条件下Ti-48Al合金凝固组织及相演变机理,通过加入强β稳定元素Cr使得快速凝固条件下Ti-48Al合金的初生相与高压条件下相同即初生相均为β相,分析其组织演变机理,进而系统研究温度和压力这两个同等重要的参数变化所引起的极端条件对TiAl合金组织演变的作用。 对高压凝固Ti-48Al合金的组织及相演变规律进行研究表明:增加凝固压力会导致凝固过程中的初生相发生改变、片层组织体积分数增加以及最终凝固的α2和γ相的晶格常数降低。最终凝固组织由片层组织和枝晶间γ相组成,故枝晶间γ相体积分数亦随压力增加而降低。枝晶间γ相体积分数由常压下的17.0％降低至2GPa时的8.73%和4GPa时的0.69%。凝固压力增加还导致扩散系数呈指数级降低,引起片层组织中Al含量增加、片层间距下降。常压、2GPa、4GPa下片层间距平均值分别为495nm、345nm、227nm。高压凝固试样片层组织的纳米硬度随着压力的增加而呈增加的趋势。4GPa凝固时片层组织的纳米硬度由常压时的4.98±0.10GPa提高至7.48±0.16GPa。 选择了不同的热处理温度进行处理,研究了高压凝固Ti-48Al合金的热稳定性,高压凝固试样在1100℃时α相就能迅速增长,冷却时形成魏氏组织,而常压凝固试样在该温度热处理时变化不大。进一步提高热处理温度,高压凝固试样在热处理时片层组织晶界处的不连续粗化、晶内的连续粗化以及α2相球化的驱动力均增加。 对快速凝固条件下的Ti-48Al合进行了理论计算,结果表明快速凝固Ti-48Al合金在辊速从10m/s增加到30m/s时其初生相均为α相,最终凝固组织中存在的α2相颗粒证明了理论计算的准确性。不同辊速条件下的快速凝固Ti-48Al合金均由等轴γ相、颗粒α2相以及片层组织构成,且等轴γ相为基体,辊速为10m/s时片层组织尺寸较大能以单个晶粒形式存在,当辊速增加至30m/s时,片层组织晶粒尺寸减小且完全由γ相包围。 添加β相稳定元素Cr,对快速凝固Ti-48Al-xCr(x=2,4)组织研究表明,添加了Cr元素后Ti-48Al合金初生相变为β相,最终获得的B2相颗粒尺寸随着Cr含量的增加而增大,随辊速的增加而减小,这是由于Cr含量的增加有利于β相形成,同时快速凝固减少了扩散时间,极大的抑制了原子扩散,抑制了立方的β相向密排六方的α相的转变过程。Cr含量的增加还引起α向γ转变温度降低,在辊速为10m/s、20m/s时Ti-48Al-2Cr和Ti-48Al-4Cr合金的基体均为γ相,辊速增加至30m/s时,基体转变为α2相。对不同辊速条件下不同Cr添加量的Ti-48Al合金薄带的纳米硬度进行分析发现,随着辊速和Cr含量的增加,纳米硬度呈增加的趋势,常规凝固Ti-48Al合金的纳米硬度为4.02±0.13GPa,辊速为30m/s时凝固Ti-48Al-4Cr合金的纳米硬度提高到10.48±0.13GPa。 对快速凝固Ti-48Al-4Cr合金进行退火研究发现:在723℃退火后组织中的亚稳α2颗粒相将分解为γ相;退火温度提高至932℃以后,片层组织中的α2相开始分解成棒状以及颗粒状的α2相,γ相内部亦会有α2相析出,但932℃热处理后α2相体积分数较热处理前降低;退火温度提高至995℃以后,开始有新B2相析出,原有的B2相颗粒尺寸有所增大,而α2相体积分数同932℃退火时相比变化不大。 综合分析高压凝固与快速凝固过程发现,两者均能增加凝固过程中的过冷度,达到临界过冷度时,Ti-48Al合金的初生相会发生转变。两者都能抑制转变过程的扩散过程,快速凝固通过抑制扩散时间,能完全抑制包晶转变过程的发生,而高压凝固通过降低凝固过程的扩散系数部分抑制包晶转变,经理论计算发现,压力达到16.96GPa时,对合金元素扩散的抑制与辊速为10m/s时相当。