含Hf铸造钛铝基合金组织细化及其机制研究

论文摘要

研究了含Hf铸造Ti-46Al基合金凝固组织的细化规律及其机制。结果显示,含Hf铸造Ti-46Al基合金的凝固组织主要由具有近片层组织（α2/γ）的柱状枝晶构成,在枝晶干的节点处有富Hf的B2相形成。Hf对枝晶间距和片层厚度均有明显的细化作用,当Hf含量从0增加到7at. %时,平均枝晶间距由1000μm细化至400μm,γ片层厚度从0.18μm细化到0.08μm。通过宏观、微观组织分析,建立了Hf与合金凝固组织细化的关系,给出了含Hf合金凝固过程的相变路径。通过分析Hf对合金熔体结构及黏度的影响,结合KGT模型,揭示了含Hf合金凝固组织的细化机制:Hf形成了高熔点的富Hf大原子团簇并增加了合金熔体黏度,从而提高了形核率,降低了Al在合金熔体中的扩散系数,导致枝晶间距变小。研究了含B铸造Ti-46Al基合金凝固组织的变化规律,分析了硼化物的类型、数量、形态和分布与B含量的相关性。B能够显著细化凝固组织,当B=1.0at. %时,合金的凝固组织转变为等轴枝晶,凝固方式由外生生长转变为内生生长。B在合金中形成了TiB2型硼化物,当B=0.2at. %时,硼化物以短小的带状形态存在于枝晶间,当B=0.6at. %时,硼化物以带状形态主要存在于枝晶间,同时有少量的长带状硼化物存在于枝晶内,当B=1.0at. %时,硼化物以长带状形态主要分布于等轴枝晶内,少量带状硼化物分布于等轴枝晶间。研究了Hf、B耦合作用对铸造Ti-46Al基合金凝固组织变化规律的影响及其细化机制。Hf+B的耦合作用具有强烈的组织细化效果,随Hf、B含量的增加,凝固组织由粗大的柱状晶转变为细化的柱状枝晶,再变为等轴枝晶,最后形成近粒状晶。当Hf=7at. %且B=1.0at. %时,获得了平均晶粒度为20μm的细小近粒状晶新型凝固组织。Hf能够促进（Ti,Hf）B2形成,降低析出（Ti,Hf）B2时B的临界成分。（Ti,Hf）B2以初生相和次生相两种形式存在:初生（Ti,Hf）B2呈细小针状,位于近粒状组织芯部,多数与片层组织保持平行的位向关系;次生（Ti,Hf）B2呈带状,通过L→β+（Ti,Hf）B2和L+β→α+（Ti,Hf）B2共晶反应与基体相耦合生长,主要分布在枝晶间,同时,随B含量增加,少量出现在枝晶内。通过微观组织和成分过冷形成原因的分析,提出了近粒状组织的的形成机制:Hf促进B形成作为生核衬底的初生（Ti,Hf）B2和Hf强化Al、B叠加的成分过冷两者的综合作用,即,增加生核率和降低生长速度的双重作用。建立了凝固组织形貌选择图和凝固组织演化物理模型。研究了Hf+B+Si的综合作用对Ti-46Al基合金凝固组织的影响。发现虽然Si能够使粗大的柱状晶向等轴晶转变,但当Si=3.0at. %时,在组织中出现了近六边形块状、长条状和小粒状的Ti5Si3相,不利于合金力学性能的改善。采用双温热处理工艺,研究了Hf、B对Ti-46Al基合金热处理组织的影响规律。通过差热分析法（DTA）测定了合金的相变点,测得Ti-46Al-5Hf合金的共析反应温度（Te）=1110℃,高温α转变温度（Tα）=1330℃。通过金相法获得了优化的双温热处理工艺:1400℃×1h→50℃水淬,1280℃×3h→空冷。结果显示:热处理组织与Hf、B含量关系密切,Hf对片层间距的细化明显,B则由于降低α板条从γ晶粒内析出的形核率并抑制α相的生长对片层团尺寸的细化作用显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 TiAl 基合金国内外研究现状
• 1.2.1 TiAl 基合金的研究历程
• 1.2.2 TiAl 基合金中的相与组织及其与性能的关系
• 1.2.3 TiAl 基合金的成形方法及特点
• 1.2.4 合金化对铸造TiAl 基合金的组织控制及性能影响
• 1.2.5 TiAl 基合金热处理的作用机理和研究进展
• 1.3 铸造TiAl 基合金存在的主要问题
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 合金成分的选择
• 2.1.1 合金元素Hf 的性能特点
• 2.1.2 基于理论分析的Hf 在TiAl 合金中的存在形式
• 2.1.3 合金成分的确定
• 2.2 合金锭和试样的制备
• 2.3 研究路线和分析方法
• 2.3.1 研究路线
• 2.3.2 分析方法
• 第3章 含Hf 铸造钛铝基合金凝固组织变化规律
• 3.1 Ti-46Al 二元合金凝固组织
• 3.1.1 宏观组织特征
• 3.1.2 微观组织形态和构成
• 3.2 Hf 对Ti-46Al 基合金凝固组织的细化
• 3.2.1 Ti-46Al-xHf 合金宏观组织特征
• 3.2.2 Ti-46Al-xHf 合金微观组织特征
• 3.2.3 Ti-46Al-xHf 合金相分析
• 3.2.4 Ti-46Al-xHf 合金中的82 相
• 3.2.5 微观组织TEM 分析
• 3.3 Hf、B 耦合作用对Ti-46Al 基合金凝固组织的影响
• 3.3.1 Ti-46Al-yB 合金宏观组织
• 3.3.2 Ti-46Al-yB 合金微观组织
• 3.3.3 Ti-46Al-xHf-yB 合金宏观组织由柱状枝晶向近粒状晶的转变
• 3.3.4 Ti-46Al-7Hf-1.08 合金的微观组织
• 3.4 Ti-46Al-5Hf-0.68-zSi 合金的凝固组织
• 3.4.1 宏观组织
• 3.4.2 Hf、B、Si 综合作用的微观组织特征
• 3.4.3 X 射线衍射分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 含Hf 铸造钛铝基合金凝固组织细化机制
• 4.1 Hf 对Ti-46Al 基合金凝固过程的影响
• 4.1.1 含Hf Ti-46Al 基合熔体结构及黏度变化
• 4.1.2 Hf 细化Ti-46Al 基合金柱状晶的微观机制
• 4.1.3 Hf 细化Ti-46Al 基合金片层结构机制
• 4.1.4 凝固过程分析
• 4.2 Hf+B 对Ti-46Al 基合金凝固组织形成的影响
• 4.2.1 Hf+B 对Ti-46Al 基合金凝固路径的影响
• 4.2.2 Hf+B 对Ti-46Al 基合金凝固过程中的成分过冷的影响
• 4.2.3 Hf+B 对Ti-46Al 基合金柱状晶的细化与近粒状组织形成机制
• 4.2.4 Ti-46Al-xHf-yB 合金凝固组织形貌选择图及组织演化模型
• 4.3 本章小结
• 第5章 含Hf 铸造钛铝基合金固态相变组织变化规律
• 5.1 热处理工艺制度的制定
• 5.1.1 相变点的测定
• 5.1.2 固溶工艺参数的确定
• 5.1.3 回火热处理对淬火-回火组织的影响
• 5.2 Hf、B 含量与Ti-46Al 基合金热处理组织的关系
• 5.2.1 含Hf Ti-46Al 基合金淬火-回火微观组织
• 5.2.2 Hf、B 耦合作用的Ti-46Al 基合金淬火-回火微观组织
• 5.3 本章小结
• 结论
• 创新点
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历