冷坩埚定向凝固TiAl基合金高温持久性能研究

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1、矍论坛I守先进航空航天产品构件越来越多地采用高性能的新型材料以满足日益提高的性能要求，先进材料的加工与制造技术对提高航空产品性能、减轻结构重量、延长使用寿命、缩短研制周期、降低成本、提高可靠性起着关键性的作用。栏目策划：李丹良辰釜”_I●，t‘}￡；；，二_ii重J钐论坛FORUM冷坩埚定向凝固TiAI基合金高温持久性能研究冰丁宏升1，李金韬1，王强1，耿洪滨2，陈瑞润1，郭景杰1，傅恒志1(1．哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室，哈尔滨150001；2．哈尔滨工业大学空间环境材料行为与评价技术国家级重点实验室，哈

2、尔滨150001)[摘要】采用电磁冷坩埚定向凝固技术制备了成分为Ti一47AI一2Cr-2Nb的合金铸锭，定向凝固后的显微组织为0【：+1全片层结构。在O．4～1．2mm／min的抽拉速率范围内，随着抽拉速率的增加，片层间距减小，柱状晶与生长方向的夹角增大。随着温度升高，合金的拉伸强度有所下降，但由于细化片层界面对切变应力变形的阻碍作用，合金的高温拉伸强度会随着抽拉速率的增加而提高。通过对抽拉速率为1．0mm／min试样的拉伸强度与温度的拟合，得到了拉伸强度和温度之间的函数关系。随着抽拉速率的增加，Ti一47AI一2Cr-2

3、Nb合金的持久寿命明显升高，对于抽拉速率为1．2mm／min试样的持久性能测试表明，其持久寿命最长，达到了48h。持久试样的断口形貌表明，其断裂的主要方式是伴随着少量延性断裂的脆性解理断裂。最后根据时间一温度模型，分别采用Larson．Miller和Manson．Haferd参数法建立了定向凝固Ti一47A1—2Cr-2Nb合金的持久强度预测函数模型，预测的理论值与试验结果吻合度较高。关键词：TiAI基合金；定向凝固；冷坩埚；高温拉伸性能；持久性能DOI：10．16080／j．issnl671．833x．2016．23／24

4、．036丁宏升教授、博导，教育部新世纪优秀人才，主要研究方向为钛基合金、钛铝．铌硅等金属间化合物特种凝固与精密成形技术。发表论文150余篇，获国家发明专利近40项，先后参与和主持课题50余项。·基金项目：国家自然科学基金项目(51171053，51471062)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB605504)。36航空制造技术·2016年第23／24期随着现代航空航天技术的不断发展，对材料性能的要求也越来越高，不仅希望得到高强度的材料，而且还希望材料的重量轻、高温性能好等⋯。轻质耐高温合金在航空材料和汽车

5、材料中具有广泛的应用前景，一直是材料科学领域研究的热点和难点之一【2】。与传统的镍基高温合金相比，TiAl基合金密度低(仅为镍基高温合金密度的一半)，比强度和比刚度较高，在最近20年内得到了广泛关注[3-610TiAI基合金通常在中高温腐蚀性燃气的环境中工作，主要应用于航空航天器等动力装置17-8]，因此要求材料必须具有较好的高温力学性能，包括高温抗氧化性、高温抗蠕变性和耐持久性等[9-12]。其中持久性能是衡量结构材料在高温环境下使用安全可靠程度的重要指标之一【13—51。持久强度定义为材料在长时间载荷作用下抵抗蠕变断裂的

6、能力，即在给定的温度和时间内材料(试样)发生断裂的应力值，一般以持久强度极限来表示，有时也以试样在恒温度、恒应力作用下的持久时间来评定。国内外曾针对等轴晶TiAl基合金，从合金元素添加、显微组织状态和热机械处理(HIP)以及持久拉伸过程的氧化程度等角度，研究了TiM基合金的持久强度随着温度和应力水平的变化，说明显微组织状态是影响持久性能的重要因素。为了提高TiAl基合金的综合使用性能，既要减少材料中的缺陷也要控制合金的显微组织组成，因此凝固过程对于TiAI基合金的显微组织形成具有重要的影响[16-17]。电磁冷坩埚定向凝固技

7、术是一种新型的凝固技术【l81，冷坩埚定向凝固过程中的温度梯度高，固液界面平直，有助于晶粒的单向生长。TiAl合金的性质极为活泼，凝固过程中很容易受到污染，造成合金力学性能的下降119-211而冷坩埚定向凝固过程中由于电磁力的约束作用，使得合金熔体与坩埚壁不接触或是软接触，避免了对TiAI合金熔体所造成的污染。冷坩埚定向凝固TiAl合金不仅可以获得高纯净的合金，而且可以通过改变凝固的工艺参数来调节合金的组织结构，从而获得性能优良的定向排列片层组织。由于经定向凝固后的TiAl基合金，定向排列的层片组织具有较好的强度和塑性匹配，

8、可望提高航空发动机叶片类部件对离心力的承载能力。但有关定向片层组织TiAl基合金的持久性能评价还相对较少，不利于对TiAI基合金动载部件]二作性能的综合评价。本文利用电磁冷坩埚成功地制备了具有定向组织的Ti一47A1—2Cr一2Nb合金，结合不同抽拉速率下显微组织和高温拉伸试验结果，重点研