高Nb-TiAl合金定向凝固研究现状及展望

高Nb-TiAl合金具有高比强和优异的高温性能,是TiAl合金向800℃以上应用发展的重要方向,其定向组织合金作为叶片材料在高推重比发动机中具有巨大的应用潜力。以传统TiAl合金定向凝固为背景论述了高Nb-TiAl合金定向凝固的研究现状。首先介绍了定向凝固方法和模壳材料发展,然后对高Nb-TiAl合金定向凝固宏观组织、界面形态和片层特征控制进行了评述,接着简要阐述了冷坩埚定向凝固制备高Nb-TiAl合金的相关工作,进一步对定向组织高Nb-TiAl合金的力学性能进行了分析。最后,展望了高Nb-TiAl合金定向凝固的发展方向。     

细晶8.5Nb-TiAl基合金的研究

研制出1种细晶的8．5Nb-TiAl基合金，化学成分为Ti-45Al-8．5Nb-0.3W-0．3B(TAWBY)，铸态组织的晶粒度约为25μm。合金中含有一定量的B2 ω相，B2相和ω相的位相关系(110)B2/(0001)ω和[111]B2／/[112^-0]ω。同时，对TAWBY合金的变形试样进行了1250℃，1h和1310℃，0．5h真空退火处理，分别获得了DP和FL组织。对2种组织的试样进行了室、高温拉伸和三点弯曲KIC测试，分析了变形TAWBY合金与K5合金等第3代TiAl基合金的力学性能。结果表明，在760℃～870℃下，高温拉伸性能已达到第3代TiAl基合金的性能。     

高Nb-TiAl基合金的开坯锻造

(α+γ)两相区锻造能够细化高Nb-TiAl合金铸态组织,锻造出表面光洁平整的饼材。具有双态组织的合金压缩性能比铸态全片层组织压缩性能好。同时,双态组织保持高温强度。     

表面塑性变形对高Nb-TiAl合金扩散连接界面组织演化的影响

采用喷丸的方法对高Nb-TiAl合金待连接表面进行机械处理,研究表面塑性变形对高Nb-TiAl合金扩散连接界面组织演化的影响。结果表明,经过表面塑性变形的高Nb-TiAl合金,扩散连接过程中在界面处形成了一层连续的α2相,且α2相的体积分数随表面塑性变形程度的增加而增大;表面塑性变形引入的畸变能促使扩散连接试样在随后的退火中发生再结晶,表面塑性变形程度较大时,再结晶晶粒向界面处α2相长大,使α2相的体积分数逐渐减少,直至消失。因此,采用表面塑性变形与再结晶退火相结合的方法可有效提高高Nb-TiAl合金扩散连接的性能。     

热-机械处理对亚稳β钛合金微观组织和力学性能的影响

采用X射线衍射、透射电镜和力学性能测试等手段,系统研究了热-机械处理对亚稳βTi-25Nb-2Mo-4Sn合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:由于合金中β稳定化元素含量不足,固溶处理后的合金中含有大量的α"马氏体,合金呈现低屈服强度。经过相同的时效处理(400℃/2 h),固溶态和冷轧态样品的相组成分别为β+ω和β+α相。冷变形引入的大量位错和晶界可有效抑制时效过程中ω相的形成,并促进α相的析出。冷轧态样品经475℃时效15 min后弹性模量为65 GPa,屈服强度和抗拉强度分别为1033和1113 MPa,实现了低模量和高强度的良好匹配。     

MO对高Nb-TiAl合金凝固路径及凝固组织的影响

采用真空非自耗电弧炉制备了TiAl合金锭,研究了Mo含量对高Nb-TiAl合金凝固路径及凝固组织的影响.结果表明,Mo的添加改变了Ti-46Al-6Nb0.2B合金的凝固路径并明显细化了合金的凝固组织.Mo含量(摩尔分数)为1%时,合金的凝固组织不仅包含α2和γ相,还有少量的β相.β相大多以网状形态聚集于晶界,也有少量呈条状分布于片层团内.随着Mo含量增加,铸锭中β相的含量增加.结合相图,给出了不同Mo含量时高Nb-TiAl合金的凝固路径.     

Ti-Mo-Sn合金显微组织、力学性能和形状记忆性能（英文）

研究Mo作为β相稳定元素,对Ti-Mo-Sn合金相组成、显微组织、力学性能和形状记忆性能的影响。通过电弧熔炼法制备不同成分的Ti-xMo-3Sn(x=2,4,6,摩尔分数,%)合金,并制备二元合金Ti-6Mo作为对照组。Ti-xMo-3Sn合金具有硬度低和韧性高(厚度可减少90%)的特点,而Ti-6Mo合金则表现出脆性行为,硬度高、韧性差。场发射扫描电镜(FESEM)下发现圆形的无热ω(ω_(ath))析出相。X射线衍射结果也证实铸态和固溶处理-淬火态的样品中均存在ω_(ath)相。光学显微镜和FESEM结果显示,由于发生β→ω相变,淬火过程中形成的马氏体数量随着Mo含量的增加而降低。硬度的变化趋势也证实ω_(ath)相的存。Ti-6Mo-3Sn合金的形状记忆效应(SME)最高,为9%。合金SME较低是由于形成ω_(ath)相;然而,SME随着Mo含量的增加而增加,这是由于ω_(ath)相的逆相变和由压力引起的马氏体相变所致。另外,设计一种新的、非常简单的测量形状记忆效应的方法。     

β-γ高Nb-TiAl合金组织转变及拉伸性能研究

本文研究了β稳定元素Cr和Mn的掺杂对高Nb-TiAl合金的组织、相组成、凝固路径及室温、高温拉伸性能的影响。实验结果表明,Ti-45Al-8Nb-0.4B（原子分数,%,下同）合金中分别加入2Cr、2Mn或1Cr1Mn后,铸态组织中B2相逐步增加,而α2相逐步减小。1Cr1Mn合金转变为由γ+B2两相组成的新型β-γ高Nb-TiAl合金。凝固路径由L→β→β+α→α+γ+β→α2+γ+B2转变为L→β→β+γ→B2+γ。Cr和Mn的同时添加具有更明显的β相稳定作用。室温拉伸结果表明,随着B2相含量的增加,合金的强度与延伸率均降低。而在900℃条件下,合金延伸率出现先降低后升高的现象。这说明,高温下合金中β相含量达到一定程度时（本研究为14.4 %）,有利于协调变形。     

Cr和Mn元素掺杂对高Nb-TiAl合金组织转变及拉伸性能的影响

研究了β稳定元素Cr和Mn的掺杂对高Nb-TiAl合金的组织、相组成、凝固路径及室温、高温拉伸性能的影响。结果表明,Ti-45Al-8Nb-0.4B(at%,下同)合金中分别加入2Cr、2Mn或1Cr1Mn后,铸态组织中B2相逐步增加,而α_2相逐步减少。1Cr1Mn合金转变为由γ+B2两相组成的新型β-γ高Nb-TiAl合金。凝固路径由L→β→β+α→α+γ+β→α_2+γ+B2转变为L→β→β+γ→B2+γ。Cr和Mn的同时添加具有更明显的β相稳定作用。室温拉伸结果表明,随着B2相含量的增加,合金的强度与延伸率均降低。而在900℃条件下,合金延伸率出现先降低后升高的现象。这说明,高温下合金中β相含量达到一定程度时(本研究为14.4%),有利于协调变形。     

Phase Evolution of Diffusion Bonding Interface between High Nb Containing TiAl Alloy and Ni-Cr-W Superalloy

在1000 ℃-50 MPa-60 min条件下对高Nb-TiAl和Ni-Cr-W高温合金进行了扩散连接,通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）对扩散连接界面处显微组织及相组成进行了分析。研究结果表明,未添加中间层时,高Nb-TiAl合金/Ni-Cr-W高温合金扩散连接接头处的相组成为γ-TiAl、Ni2AlTi、Ni3Ti、(NiCr)ss 相、γ 相。而高Nb-TiAl合金/Ti/Cu/Ni-Cr-W高温合金扩散连接接头处的相组成为Ti3Al、Tiss、Ti2Ni、rich Cu-NiAlTi、α2-Wss、Ni2AlTi、(NiCr)ss 相、γ相。此外,由于Cr和W的扩散速度较慢,Cr和W原子主要偏聚在靠近Ni-Cr-W高温合金的区域。Ti/Cu箔的加入有利于界面处元素的扩散和反应,可以有效避免微裂纹的产生。     

Cu对牙科用Ti-10Mo合金组织和硬度的影响

采用WS-4型非自耗电弧炉制备了牙科用Ti-10Mo-xCu合金系,通过显微组织、X射线衍射仪和数字式显微硬度计,研究了Cu元素对亚稳β钛合金Ti-10Mo的组织和力学性能.结果表明:该系列合金在铸态由β相主相、少量α、α′和α″、淬火ω相组成;随着Cu含量的增加,合金的晶粒明显细化;时效后,亚稳β相析出较多的α相和Ti2Cu;当Cu含量为3％时,合金具有最好的力学性能.     

Ca，Y对AZ91镁合金显微组织和力学性能的影响

向AZ91镁合金中加入具有阻燃作用的合金元素Ca和Y，研究了单独加入Ca和同时加入Ca，Y对AZ91合金铸态显微组织和力学性能的影响。结果表明：向AZ91合金中单独加入Ca可使该合金的铸态组织明显细化，当Ca含量大于1ω％时，合金铸态组织中生成了Al2Ca新相，使该合金的抗拉强度得到提高。在此基础上加入少量的Y（0．10％-0．50％）（质量分数，下同）可使合金的铸态组织进一步细化，该合金的抗拉强度随Y含最的增加先提高后降低。     

Mg-Al-Zn-Sm耐热镁合金的组织与力学性能

利用光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪分析了铸态和固溶态AZ61和AZ61-2Sm合金组织形貌和相组成,测试了其硬度和拉伸力学性能。结果表明,向AZ61合金中添加2%Sm后,铸态组织有所细化,β-Mg17Al12相数量减少和尺寸变小,同时生成小块状的高热稳定性相Al2Sm。经固溶处理后,β-Mg17Al12相完全固溶于α-Mg基体中,只存在Al2Sm相。铸态和固溶态室温拉伸力学性能与AZ61合金相当,而铸态高温拉伸力学性能却显著提高,经固溶后得到进一步提高,与铸态室温相当。     

Sn对AZ61镁合金组织和力学性能的影响

通过合金制备、微观分析和力学性能测试等方法研究了Sn对AZ61镁合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,当加入Sn后,在铸态及热处理态合金中均发现了球形颗粒状的Mg2Sn相;0.5%的Sn可以明显提高合金在20℃、150℃、175℃的抗拉强度.合金力学性能的提高一方面是固溶强化,另一方面是高熔点的Mg2Sn相的弥散强化.     

Sn对AM60镁合金显微组织和力学性能的影响

研究了合金元素Sn对AM60镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,在AM60镁合金中加入适量Sn后能有效改善合金的铸态组织,使粗大的树枝晶变得细小、弥散。在显微组织中出现了弥散分布的Mg2Sn增强颗粒,由于该相熔点高、硬度高和热稳定性好,可对基体起到有效强化作用,使得合金的力学性能得到改善。当Sn加入量过多时,合金的力学性能则会下降。     

Cr对含FeT业纯铜组织和力学性能的影响

研究了Cr的不同加入量（ωcr=0％、0．3％、0．75％和1．2％）对含Fe工业纯铜组织和力学性能的影响。结果表明,Cr与Cu不能形成化合物,可有限固溶于纯铜中,超过部分形成过剩的第二相。固溶时效热处理可析出细小弥散的第二相质点。随Cr含量增大,铸态合金材料的强度、硬度增加。热处理可使铸态力学性能得到进一步提高。少量的Fe对合金的力学性能是有益的。     

Cr对含Fe工业纯铜组织和力学性能的影响

研究了Cr的不同加入量(ωcr,=0%、0.3%、0.75%和1.2%)对含Fe工业纯铜组织和力学性能的影响.结果表明,Cr与Cu不能形成化合物,可有限固溶于纯铜中,超过部分形成过剩的第二相.固溶时效热处理可析出细小弥散的第二相质点.随Cr含量增大,铸态合金材料的强度、硬度增加.热处理可使铸态力学性能得到进一步提高.少量的Fe对合金的力学性能是有益的.     

铸态Mg-11Al-1.2Zn-(-0.3Sc)合金的显微组织与力学性能

通过熔炼铸造方法,制备了Sc含量为0.3%的Mg-11Al-2Zn合金,采用X射线衍射、金相观察,扫描电镜及力学性能测试,研究了Sc的添加对铸态合金显微组织与力学性能的影响.结果显示,基体合金中添加Sc后,铸态合金的晶粒明显得到细化,Mg17Al12相的形态与分布得到有效改善,显微组织主要由α-Mg基体相、Mg17Al12相及MgAlSc相组成.力学性能显示,Sc的添加使铸态合金的室温抗拉强度提高了23.7%.     

时效处理对Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr医用钛合金Young''''s模量和力学性能的影响

研究了Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr医用钛合金时效处理对Young's模量和力学性能的影响.实验结果表明在采用的热处理区间,合金的Young's模量具有组织敏感性.对于具有(α+β)、(α+β+ω)和(β+ω)组织的合金,Young's模量的增加总是伴随着强度和硬度的提高以及塑性的降低.对于具有(β+ω)组织的合金,由于其强度低、模量高和塑性差而不适合作为生物材料.对于具有(α+β)组织的合金,各相体积含量是影响模量和力学性能的主要因素.     

退火处理对AlCoCuFeNi0.2高熵合金组织与性能的影响

利用电弧熔炼技术制备得到AlCoCuFeNi_(0.2)高熵合金,研究了铸态与900℃退火态高熵合金的组织、力学性能、磁学性能之间的差异。研究发现,铸态及900℃退火态合金都是BCC+FCC+有序BCC共存结构,BCC相是主相,组织都是典型的树枝晶组织,都具有优良软磁性能。900℃退火后,BCC相向FCC相转变,合金塑性显著改善,强度和硬度有所下降,饱和磁化强度得到提高。