《鈦鋁熔體遺傳性影響的定向片層結構及其變形機理研究》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：鈦鋁熔體遺傳性影響的定向片層結構及其變形機理研究
- 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由於其組分多樣，熔煉工藝與中間合金成分的不同，常造成性能的不穩定，尤其是對室溫塑性的影響很大。因此，是否可通過對TiAl合金熔體結構與片層組織之間的遺傳性研究，找到克服上述困難的方法。本研究項目擬採用液態和電固/固相結合的方法，對TiAl合金熔體結構轉變行為及片層組織遺傳性進行研究，闡明冷坩堝定向凝固過程中，熔體結構對凝固行為、片層組織取向分布的作用機理，揭示定向凝固TiAl合金片層取向對變形過程的影響機制。為TiAl基合金構件的材料最佳化、性能提高以及具備工程化套用前景奠定理論基礎。
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。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，將熔體懸浮過熱技術套用於冷坩堝定向凝固TiAl 坯錠製備過程，揭示了TiAl合金熔體淬火過程中的傳熱機制以及所製備快速胞晶的組織特徵和微觀力學性能，闡明了不同合金元素對TiAl合金定向凝固過程的影響機制，實現了對TiAl合金定向凝固組織及片層結構取向化的精確控制，在此基礎上，系統研究並掌握了TiAl合金定向片層組織的變形機理和強韌化機制，為TiAl進入實際套用階段奠定理論基礎。具體成果：(1) 通過有限元數值模擬，發現凸台懸浮定向凝固冷坩堝可以產生更大的電磁懸浮推力，從而有效實現合金熔體的過熱。(2)採用熔體淬火的方法製備出了一種非常細小均勻的TiAl合金快速胞晶組織，它主要由α2相組成，其胞晶間距為0.68~3.6 μm左右。(3) 快速胞晶組織是由於Ga-In合金液對TiAl合金熔體最外層極快速冷卻形成的，其生長形貌主要受傳熱過程的影響。快速胞晶在生長過程中的冷卻速率和生長速率分別為2.1×10^6~10^5 K/s和105~5 mm/s。(4) 快速胞晶組織具有優異的顯微力學性能(納米硬度為8.457±0.336 GPa)，比一般的組織形態提高了15~60%。(5) 添加0.2 at.%Er、0.2 at.%C和0.5 at.%C合金化元素能夠顯著細化定向凝固Ti-47Al-2Nb-2Cr合金的柱狀晶尺寸。(6) Er細化定向凝固TiAl合金片層間距的微觀機制是通過提高γ相的形核率，C則通過提高γ相形核和抑制γ相生長的雙重作用來細化定向凝固TiAl合金片層間距。(7) 隨著生長速率的增加，含有Er、C、Mn的定向凝固TiAl合金的初生相會由單一β相轉變為β和α兩相。(8) 添加0.2 at.%Er、0.2 at.%C和1 at.%Mn元素能顯著提高定向凝固Ti-47Al-2Nb-2Cr合金的綜合力學性能。(9) 位錯滑移是定向凝固TiAl合金塑性變形的基本機制，片層界面位錯環的釋放是塑性變形過程中的位錯增殖機制。(10) 通過引入高密度變形納米孿晶可以同時提高富鉻TiAl基合金的強度和塑性，有望進一步實現TiAl合金的強韌化。
