《強磁場條件下高鈮TiAl基合金定向凝固組織演化與控制》是依託東北大學，由董書琳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：強磁場條件下高鈮TiAl基合金定向凝固組織演化與控制
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：董書琳
- 依託單位：東北大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
高鈮TiAl基合金密度低、強度高，有望在600°C-1000°C範圍內部分替代Ni基高溫合金，是一種非常具有套用前景的高溫結構材料。定向凝固法是該類合金理想的製備方法，然而，製備過程中的對流問題嚴重影響著定向組織，坯錠的偏析問題嚴重影響著合金的力學性能。本項目提出將強磁場合理引入高鈮TiAl基合金的定向凝固過程中，抑制對流，改善溶質傳輸行為，實現定向凝固過程對偏析行為的有效調控，穩定製備出組織定向、片層取向可控、少偏析的定向凝固坯錠部分，並闡明相關機理。同時，系統研究強磁場作用下，定向凝固過程的傳質特徵、凝固路徑轉變、固液界面行為和組織演化規律。該項目對於豐富強磁場下TiAl基合金的凝固理論，推動高鈮TiAl基合金在航空航天、國防領域的套用具有重要意義。
結題摘要
高鈮TiAl基合金是一種輕質高強的高溫結構材料，在軍事、航空航天、民用汽車等領域具有廣闊的套用前景。本項目提出利用磁場調控高鈮TiAl基體合金的冶金相變過程，這其中包括固/固相變過程（也就是固態相變過程）和液/固相變過程（也就是凝固過程），從而改善合金組織，最終達到提高合金性能的目的。在固態相變方面，研究了強磁場對高鈮TiAl基合金熱處理過程中組織演化的影響規律和機制。藉助“原子-空位擴散理論”闡明了強磁場通過影響合金退火過程中原子擴散的振動頻率和振動熵，進而抑制了原子擴散行為。模型合金中的合金化元素原子擴散受到抑制後，尤其Fe原子的擴散受到抑制後，會阻礙塊狀α2相中的α2→γ轉變，即抑制了α2相中的γ相晶粒的長大。研究還發現，不施加磁場時，在長大的γ相中會形成一種新型γ/τ2片層結構，而施加強磁場後該片層結構的形成也會由於強磁場抑制Fe元素擴散而被抑制。此外，也通過添加少量Fe元素，部分替換高鈮TiAl基合金中的Nb元素來改善合金的高溫變形加工能力。設計出的Ti44Al6Nb2Fe合金比傳統Ti44Al8Nb合金具有更大的加工視窗，且在900~950℃範圍記憶體在低溫超塑性。在凝固方面的研究中，利用冷坩堝定向凝固技術在不同電源輸入功率下對Ti44Al8Nb0.1B合金進行製備。利用數值模擬方法得到不同功率下冷坩堝內部及周圍的磁場分布，35kW~50kW的電源輸入功率下，在冷坩堝開縫處附近，磁感應強度最高可達0.03T數量級。進一步也利用模擬方法得到該磁場和電場作用下冷坩堝內合金的溫度分布以及溫度梯度。闡明了上述磁場分布狀態下電磁攪拌、凝固速率、溫度梯度等共同作用對定向凝固坯錠組織演化的影響規律和機制。建立了冷坩堝定向凝固過程中磁場分布、定向凝固組織、力學性能的關聯。本項目所取得的研究結果為利用磁場調控TiAl基合金冶金相變過程提供了一定理論和實踐依據。
