《脈衝電流影響的冷坩堝定向凝固含稀土TiAl凝固界面行為》是依託哈爾濱工業大學，由丁宏升擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：脈衝電流影響的冷坩堝定向凝固含稀土TiAl凝固界面行為
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：丁宏升
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
TiAl是最佳的下一代輕質耐熱結構選材，通過減重促進航空、航天和運輸等領域的高效和減排。TiAl的本徵脆性可通過具有規則片層取向排列的定向凝固組織來改善。但TiAl屬包晶合金體系，複雜的晶體競爭生長規則和多變的凝固路徑走向常常導致對定向凝固組織和析出相，如形態、含量和取向的控制變得困難。特別是可工程化的TiAl其組分多樣，物性差別大，是否可通過具有界面活性的稀土元素並在脈衝電場能量輔助下克服上述困難。本研究將基於自主研製的高純淨冷坩堝定向凝固新方法，在脈衝電流作用下定向凝固添加微量稀土的TiAl大尺寸坯錠，圍繞其定向遷移的固液界面，通過施加不同電流密度和添加稀土元素的聯合作用，分析固液界面的演化，摸清溶質再分配、析出相特徵、分布及取向和TiAl強度、塑性間的關係，通過衡量凝固界面行為對其定向凝固組織-性能的影響，為未來具備工程化套用前景TiAl構件的材料最佳化和性能提高奠定理論基礎。
結題摘要
TiAl合金具有密度低，比強度高和高溫抗氧化及抗蠕變性能好的特點，是下一代航空、航天和運輸等領域輕質耐熱結構的最佳選材，促進其高效和減排。為了進一步解決TiAl合金本徵脆性大的難題，本項目通過系統的實驗研究和理論分析，分別採取電磁場理論與數值分析，類包晶材料相似性物理模擬實驗，脈衝電流冷坩堝定向凝固工藝實驗和組織微觀結構和性能分析測試，將脈衝電流套用於冷坩堝定向凝固TiAl坯錠製備過程，揭示了脈衝電流影響的多元全片層TiAl合金定向凝固界面行為和組織演變的微觀機制，闡明脈衝電流與稀土元素聯合作用TiAl合金的定向凝固組織細化規律，通過組織-性能關係的確立，在現有基礎上顯著提高了TiAl的工程塑性，奠定了TiAl進入實際套用的材料最佳化選擇基礎。 具體成果：(1) 稀土元素Y，Gd和Er的添加顯著地影響Ti-47Al-xNb(x=2,5)合金的一次和二次枝晶間距，在含量不超過0.3at.%時起到了細化作用，提高了力學性能；(2) Lorentz力是引起電場作用下TiAl熔體發生流動狀態改變的根本原因，在保持熔體流動平穩和持久性上，直流相比於交流和脈衝電流更有效；(3) 電場促進初生α相生長而抑制包晶β相生長，初生α相長成發達的樹枝晶，並長出三次枝晶臂，包晶β相卻生長緩慢，僅為短柱狀；(4) 無電流無稀土添加時，冷坩堝定向凝固TiAl合金的柱狀晶間距和片層間距隨抽拉速度的增大而減小，拉伸性能受片層取向和B2相分布的影響；(5) 無電流稀土Er添加時，柱狀晶得到細化，但抽拉速度增大會發生柱狀晶向等軸晶轉變，由Er內脫氧得到的Er2O3強化了TiAl合金，提高了力學性能；(6) 加直流電流時，對TiAl基合金定向凝固組織有一定細化作用，電流密度為60.6mA/mm2時，合金的壓縮應變和斷裂強度達22.1%和1365MPa；(7) 加脈衝電流時，隨著電流密度和頻率的增大，固液界面變得平整，晶體形貌從樹枝狀向胞狀過渡。相比直流，脈衝電流促進柱狀晶的細化和連續生長。電流密度為56.5mA/mm2，頻率為100Hz時合金組織最細，合金的壓縮應變和斷裂強度達22.2%和1448.6MPa；(8) 脈衝電流和Er共同作用下TiAl合金得到進一步細化，隨脈衝頻率的增大，固液界面變得平整，晶粒尺寸減小，頻率為150Hz時，合金的壓縮應變和斷裂強度達32.4%和1464.2MPa。
