脉冲电流影响的冷坩埚定向凝固含稀土TiAl凝固界面行为

TiAl是最佳的下一代轻质耐热结构选材，通过减重促进航空、航天和运输等领域的高效和减排。TiAl的本征脆性可通过具有规则片层取向排列的定向凝固组织来改善。但TiAl属包晶合金体系，复杂的晶体竞争生长规则和多变的凝固路径走向常常导致对定向凝固组织和析出相，如形态、含量和取向的控制变得困难。特别是可工程化的TiAl其组分多样，物性差别大，是否可通过具有界面活性的稀土元素并在脉冲电场能量辅助下克服上述困难。本研究将基于自主研制的高纯净冷坩埚定向凝固新方法，在脉冲电流作用下定向凝固添加微量稀土的TiAl大尺寸坯锭，围绕其定向迁移的固液界面，通过施加不同电流密度和添加稀土元素的联合作用，分析固液界面的演化，摸清溶质再分配、析出相特征、分布及取向和TiAl强度、塑性间的关系，通过衡量凝固界面行为对其定向凝固组织-性能的影响，为未来具备工程化应用前景TiAl构件的材料优化和性能提高奠定理论基础。

TiAl合金具有密度低，比强度高和高温抗氧化及抗蠕变性能好的特点，是下一代航空、航天和运输等领域轻质耐热结构的最佳选材，促进其高效和减排。为了进一步解决TiAl合金本征脆性大的难题，本项目通过系统的实验研究和理论分析，分别采取电磁场理论与数值分析，类包晶材料相似性物理模拟实验，脉冲电流冷坩埚定向凝固工艺实验和组织微观结构和性能分析测试，将脉冲电流应用于冷坩埚定向凝固TiAl坯锭制备过程，揭示了脉冲电流影响的多元全片层TiAl合金定向凝固界面行为和组织演变的微观机制，阐明脉冲电流与稀土元素联合作用TiAl合金的定向凝固组织细化规律，通过组织-性能关系的确立，在现有基础上显著提高了TiAl的工程塑性，奠定了TiAl进入实际应用的材料优化选择基础。.具体成果：(1) 稀土元素Y，Gd和Er的添加显著地影响Ti-47Al-xNb(x=2,5)合金的一次和二次枝晶间距，在含量不超过0.3at.%时起到了细化作用，提高了力学性能；(2) Lorentz力是引起电场作用下TiAl熔体发生流动状态改变的根本原因，在保持熔体流动平稳和持久性上，直流相比于交流和脉冲电流更有效；(3) 电场促进初生α相生长而抑制包晶β相生长，初生α相长成发达的树枝晶，并长出三次枝晶臂，包晶β相却生长缓慢，仅为短柱状；(4) 无电流无稀土添加时，冷坩埚定向凝固TiAl合金的柱状晶间距和片层间距随抽拉速度的增大而减小，拉伸性能受片层取向和B2相分布的影响；(5) 无电流稀土Er添加时，柱状晶得到细化，但抽拉速度增大会发生柱状晶向等轴晶转变，由Er内脱氧得到的Er2O3强化了TiAl合金，提高了力学性能；(6) 加直流电流时，对TiAl基合金定向凝固组织有一定细化作用，电流密度为60.6mA/mm2时，合金的压缩应变和断裂强度达22.1%和1365MPa；(7) 加脉冲电流时，随着电流密度和频率的增大，固液界面变得平整，晶体形貌从树枝状向胞状过渡。相比直流，脉冲电流促进柱状晶的细化和连续生长。电流密度为56.5mA/mm2，频率为100Hz时合金组织最细，合金的压缩应变和断裂强度达22.2%和1448.6MPa；(8) 脉冲电流和Er共同作用下TiAl合金得到进一步细化，随脉冲频率的增大，固液界面变得平整，晶粒尺寸减小，频率为150Hz时，合金的压缩应变和断裂强度达32.4%和1464.2MPa。