高Nb-TiAl多元合金在籽晶法电磁无接触定向全片层组织制备中相的选择与生长机理

针对有巨大应用前景的高Nb-TiAl合金室温塑性低、在凝固过程受模壳污染的问题，提出了独有的电磁无模壳成形和籽晶法引晶生长一体化的定向全片层组织制备技术。可彻底解决TiAl合金与模壳反应的问题；并在经过凝固和固－固两阶段相变后，实现最终全片层组织方向与定向凝固方向完全排列一致；这种组织无污染、片层定向排列的效果，可使室温塑性显著提高。.本研究的关键科学问题及要开展的创新性工作是：研究籽晶为α相、供给液相是以β相为初生相的高Nb-TiAl多元合金熔体在异相引晶过程中抑制初生相β的形成，而使熔体在α相籽晶上以特定晶向的α相进行生长的机理及关键参数之间的关系，提出杂晶形成规律和消除方法；弄清在无模壳的定向凝固过程中可控的流场对定向凝固过程溶质场、温度场等的作用规律，达到减少溶质在径向上的偏析，消除杂晶在局部的出现；形成一套系统的定向片层制备技术，制备出较大尺寸高Nb-TiAl定向全片层组织铸棒。

由定向凝固技术制备的TiAl合金定向全片层组织, 同时具有较高的抗拉强度和优良的延伸率，在航空、航天等领域具有很好的应用前景。但是，TiAl合金熔体的活性很高，几乎与所有的坩埚发生反应，利用Bridgman定向凝固技术很难生产出无污染、高性能的TiAl合金棒锭。而目前广泛采用的光悬浮区熔定向凝固方法，尽管能避免坩埚对合金熔体的污染，但很难制备出较大尺寸的棒锭。为了制备出大尺寸的棒锭，实现具有定向全片层组织的TiAl合金的应用，本项目提出了利用本课题组特有的“电磁约束定向凝固技术”加“籽晶技术”制备无污染、片层组织定向排列的TiAl合金棒锭的技术构思和方案，并对制备过程涉及的稳定成形、相的选择、组织的演变、杂晶的控制、性能与组织关系等基本的科学问题进行了系统的研究：.首先，通过对直径分别为12.5mm 和16~20 mm的定向片层组织的TiAl棒锭进行制备，用实验和数值模拟相结合方法研究关键参数对TiAl合金电磁约束定向凝固过程的影响；随后，将“电磁约束定向凝固技术”和“TiAl合金籽晶法”结合起来，研究了抽拉速率等参数对籽晶法定向凝固过程的影响，利用初生相为α相的Ti-43Al-3Si籽晶，在生长速率较低的条件下，成功制备出无污染、较大尺寸、高性能的Ti-47Al合金定向全片层组织；在传统籽晶法的基础上，为了减少籽晶和母料成分的差异而造成引晶过程不稳定的结果，提出了准籽晶的概念及其制备原理和方法，研究了准籽晶法的引晶机理。通过合理控制浇铸条件、加热速率及凝固参数，使初生相为β的Ti-48Al-2Nb-2Cr和Ti-48Al-6Nb-1Cr合金作为准籽晶，在一定的抽拉速率下分别制备出与准籽晶成分相同、片层取向平行于生长方向的TiAl合金定向全片层组织；此外，为了制备性能优良的TiAl合金定向全片层组织，利用Bridgman定向凝固炉，对多元TiAl-(Nb, Cr, Si)合金的籽晶法定向凝固过程进行了探索和研究；最后，研究了片层取向对TiAl合金定向全片层组织力学性能的影响，并对试样的断口形貌和断裂机制进行了分析和讨论，发现，当片层取向平行于加载方向时，合金的力学性能都明显提高，特别是室温塑性的提高非常显著，如Ti-47Al合金的室温延伸率达到了10.0%，而室温拉伸强度和断裂韧性分别达到了693 MPa和34.7 MPa•m1/2，明显优于国内外报道的最高水平。