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1、学校代码10699分类号TG146.2密级学号2011100333题目Nb含量对TiAl合金凝固特性与组织演化行为的影响作者何坛学科、专业材料学指导教师胡锐教授申请学位日期2017年1月国内图书分类号：TG146.2西北工业大学工学博士学位论文Nb含量对TiAl合金凝固特性与组织演化行为的影响博士研究生：何坛导师：胡锐教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年1月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TG146.2Dissertationsubmittedinpartialfulfi
2、llmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyEffectofNbcontentonsolidificationcharacteristicsandmicrostructuralevolutionbehaviorofTiAlalloysPh.DCandidate：HETanAdvisor：ProfessorHURuiDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpeciality：MaterialsScienceSchool：MaterialsSci
3、enceandEngineeringDateofOralDefence：January2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要目前，过包晶凝固型Ti-48Al-2Nb-2Cr铸造合金是为数不多的实现商业化应o用的TiAl合金。然而，由于Ti-48Al-2Nb-2Cr合金的服役温度只有650C，不能o满足未来发动机低压涡轮叶片服役温度进一步提高到800C的需求，迫切需要开发新型耐高温铸造TiAl合金。合金化Nb元素的添加在提高抗氧化性、高温强
4、度和片层稳定性方面具有良好的优势。然而，大量添加Nb元素，将导致凝固组织中粗大的枝晶形貌和严重的显微偏析，进而增加铸锭热裂的倾向而且影响合金断裂韧性。因此，为了达到控制TiAl合金铸锭及铸件的凝固组织之目的，本论文以添加不同Nb元素Ti-48Al-xNb(x=2,4,6,8)形成的铸造类合金为研究对象，讨论过冷度以及冷速对TiAl合金非平衡凝固条件下组织的影响规律，以及亚稳相的形成，显微偏析的形成规律。系统研究Nb元素含量改变对包晶铸造TiAl合金中凝固路径和凝固组织影响的规律，并对过包晶凝固的新型中Nb含量铸造TiAl合金的凝固特征，同
5、时对合金的高温性能，特别是高温屈服强度进行了分析。本文的主要研究内容及取得得创新性结论如下：采用Themo-Calc软件对不同Nb含量的Ti-48Al-xNb(x=2,4,6,8)三元系统的变温截面图进行计算，得到了包晶反应平台温度以及各成分点Cβ、Cα和CP。对Ti-48Al-xNb(x=2,4,6,8)合金进行近平衡凝固实验发现，随着Nb含量的增加，铸态下Ti-48Al-xNb合金从过包晶凝固向亚包晶凝固的转变点为4at.%Nb。结合计算相图和凝固组织可知，Ti-48Al-2Nb合金其包晶反应完之后生成的包晶相含量和残余液相含量基本上
6、为1:1，α相不明显分化成枝晶形态，而形成球状α枝晶，可以获得均匀性高，偏析少的凝固组织。采用电磁悬浮熔炼深过冷凝固技术，在所获得的过冷度范围内，Ti-48Al-(x=2,4,6,8)Nb合金均是以β相为初生相凝固。对于亚包晶Ti-48Al-8Nb合金,超过一定过冷度(211K)，凝固路径发生了从亚包晶凝固向单一β相凝固的改变。不同Al含量下亚包晶凝固TiAl-(7,8)Nb合金，随着过冷度的增加，凝固路径的转变方式是类似的，只是发生转变的临界值不同。亚包晶合金中的Al含量高，单一β凝固的临界值要高一些。对于过包晶Ti-48Al-2Nb合
7、金，大于一定的过冷度(93K)，β枝晶会发生树枝状向胞状的转变。对Ti-48Al-(x=2,4,8)Nb三种合金，获得了过冷度的转变范围。随着Nb含量的增加，消除S-偏析变得越来越困难。对于Ti-48Al合金减小凝固偏析可以通过控制Nb含量进行。在大过冷度下，Ti-48Al-(x=2,4,8)Nb合金的凝固组织中发现其亚结构除了变形孪晶以外，同时发现存在少量的层错等缺陷。归因于亚结构的形成能够很好地吸收快速凝固过I西北工业大学工学博士学位论文程中的相变应力。随着Nb含量增加，TiAl合金的超点阵堆垛层错能降低，合金中变形孪晶的数量逐渐增加
8、。采用电磁悬浮和铜模急冷的方法，获得Ti-48Al-(x=2,4,6,8)Nb包晶合金不同冷速下的凝固组织。对于Ti-48Al-(x=4,6,8)Nb合金，随着冷速的增加，发生从亚包晶凝固向单
