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Ti-45Al-5Nb合金定向凝固过程组织演化规律

作　者: 李琨
导　师: 苏彦庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TiAl合金定向凝固组织演化凝固路径
分类号: TG111.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

TiAl合金是一种比较理想的、可以应用于航空航天发动机领域的先进材料。在TiAl合金中加入适当比例的Nb元素,不仅能够使TiAl合金的高温力学性能、抗腐蚀能力和抗蠕变抗性显著提高,而且还可以保持较低的密度。此外Nb元素的添加在一定程度上还能够使TiAl合金的室温塑性得到改善,因此人们在Ti-Al-Nb三元合金的凝固组织、加工性能以及力学性能等方面给予了广泛的关注。本课题从相图热力学计算和定向凝固试验两个方面对Ti-45Al-5Nb合金在定向凝固过程中的组织演化规律进行了系统的研究。首先利用Thermo-Calc软件结合TT-TiAl数据库对Ti-Al-Nb三元合金的相图进行了计算,为分析Ti-45Al-5Nb合金在平衡凝固条件下的凝固路径以及定向凝固组织和相组成奠定了一定的理论基础。其次,研究了Ti-45Al-5Nb合金在定向凝固过程中的组织演化规律,并根据实验结果讨论了初生相对凝固组织的影响。对Ti-Al-Nb三元合金的等温和变温截面相图进行计算后得到:平衡凝固时Ti-45Al-5Nb合金的初生相为β相;并分析了Ti-45Al-5Nb合金的平衡凝固过程以及相选择规律。最终得到Ti-45Al-5Nb合金的平衡凝固路径为:在不同凝固参数G/v的条件下,进行了一系列的定向凝固实验,分析实验结果可知试样沿着定向生长方向可以划分成原始铸态组织区、竞争生长区、稳态生长区、α单相区、糊状区和淬火区,在这几个区域中还存在着以下几个明显的界面:定向凝固启动界面、共析转变界面以及固-液界面;经过竞争生长,合金定向凝固启动界面处的组织特征遗传到了稳定的定向生长阶段,并对最终的片层组织取向产生了很大的影响。此外,Ti-45Al-5Nb合金在定向凝固过程中,由于处于非平衡态,因此其凝固路径与理论计算结果有一定程度的差异:在实际的定向凝固过程中,低速时,Ti-45Al-5Nb合金首先在液相中析出β相胞/枝晶,高速时合金熔体直接析出α相枝晶,此时的凝固过程更类似于α相单相凝固。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-26
  1.1 课题背景及研究目的和意义  8-10
  1.2 国内外在相关领域的研究现状及分析  10-18
    1.2.1 TiAl 合金的研究与应用现状  10-11
    1.2.2 Ti-Al 二元系合金的相图分析  11-14
    1.2.3 Ti-Al-Nb 三元系合金的相图分析  14-18
  1.3 TiAl 合金的凝固组织  18-22
    1.3.1 TiAl 合金凝固组织的影响因素  19-20
    1.3.2 TiAl 合金的组织对其力学性能影响  20-21
    1.3.3 TiAl 合金片层取向的决定因素  21-22
  1.4 TiAl 合金定向凝固过程中的片层取向控制  22-24
    1.4.1 籽晶法控制TiAl 合金的片层取向  22-23
    1.4.2 合金化法控制TiAl 合金的片层取向  23-24
    1.4.3 凝固参数对片层取向的影响  24
  1.5 本课题的主要研究内容  24-26
第2章实验方法与实验材料  26-32
  2.1 研究方案  26
  2.2 Ti-45Al-5Nb 合金母锭与定向凝固试样的制备  26-27
  2.3 定向凝固实验  27-30
    2.3.1 定向凝固设备  27-29
    2.3.2 定向凝固实验具体步骤  29-30
    2.3.3 定向凝固实验方案  30
  2.4 试样的后期处理和分析  30-32
    2.4.1 金相组织分析  30-31
    2.4.2 扫描电子显微镜实验  31-32
第3章 Ti-Al-Nb 三元合金平衡凝固的热力学计算  32-44
  3.1 引言  32
  3.2 Ti-45Al-xNb 三元合金变温截面相图的热力学计算  32-35
  3.3 Ti-Al-Nb 三元合金等温截面相图的热力学计算  35-42
  3.4 Ti-45Al-5Nb 合金的平衡凝固路径的确定  42
  3.5 本章小结  42-44
第4章 Ti-45Al-5Nb 合金的定向凝固组织  44-67
  4.1 引言  44
  4.2 Ti-45Al-5Nb 合金宏观定向凝固组织  44-49
  4.3 Ti-45Al-5Nb 合金原始铸态区与竞争生长区组织  49-52
    4.3.1 原始铸态区组织  49-50
    4.3.2 定向凝固启动界面与过渡区组织  50-51
    4.3.3 竞争生长区组织  51-52
  4.4 定向凝固Ti-45Al-5Nb 合金固-液界面处的组织分析  52-55
    4.4.1 定向凝固试样固-液界面处的形貌  52-54
    4.4.2 定向凝固参数对一次胞/枝晶间距的影响  54-55
  4.5 不同定向凝固参数下合金的组织演化规律  55-64
    4.5.1 G=20K/mm，v=10μm/s 时的微观组织演化  55-57
    4.5.2 G=15K/mm，v=10μm/s 时的微观组织演化  57-60
    4.5.3 G=20K/mm，v=20μm/s 时微观组织演化  60-62
    4.5.4 G=20K/mm，v=5μm/s 时的微观组织演化  62-63
    4.5.5 定向凝固参数对片层厚度的影响  63-64
  4.6 Ti-45Al-5Nb 合金定向凝固过程中凝固路径与相选择  64-65
  4.7 本章小结  65-67
结论  67-68
参考文献  68-75
致谢  75

Ti-45Al-5Nb合金定向凝固过程组织演化规律

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