强磁场条件下高铌TiAl基合金定向凝固组织演化与控制

High-Nb TiAl-based alloy with its lower density and higher strength is a kind of promising high-temperature structural material to replace Ni-based high-temperature alloys at 600°C-1000°C partly. Directional solidification technique is an applicative preparation method for this kind of alloys, and however, flow is harmful to directional solidification microstructure during preparation and segregation is harmful to mechanical properties. This project proposes to bring high magnetic fields into the directional solidification course of high-Nb TiAl-based alloys, restrain flow, affect mass transfer behavior, realize the effective control for the segregation behavior, and finally to prepare the billet parts with directional solidification microstructure, well-controlled lamella orientation and less segregation, and it is also to clarify the related mechanism. Meanwhile, it is to study the mass transfer characteristic, solidification route transformation, solid-liquid interface behavior and microstructural evolution. This project has important implications for enriching the solidification theory of TiAl-based alloys under high magnetic fields and for promoting the application of high-Nb TiAl-based alloys in the fields of aerospace and national defense.

高铌TiAl基合金密度低、强度高，有望在600°C-1000°C范围内部分替代Ni基高温合金，是一种非常具有应用前景的高温结构材料。定向凝固法是该类合金理想的制备方法，然而，制备过程中的对流问题严重影响着定向组织，坯锭的偏析问题严重影响着合金的力学性能。本项目提出将强磁场合理引入高铌TiAl基合金的定向凝固过程中，抑制对流，改善溶质传输行为，实现定向凝固过程对偏析行为的有效调控，稳定制备出组织定向、片层取向可控、少偏析的定向凝固坯锭部分，并阐明相关机理。同时，系统研究强磁场作用下，定向凝固过程的传质特征、凝固路径转变、固液界面行为和组织演化规律。该项目对于丰富强磁场下TiAl基合金的凝固理论，推动高铌TiAl基合金在航空航天、国防领域的应用具有重要意义。

高铌TiAl基合金是一种轻质高强高温结构材料，在军事和民用领域具有广阔应用前景。本项目提出利用磁场调控高铌TiAl基体合金的冶金相变行为，包括固/固相变行为（也就是固态相变行为）和液/固相变行为（也就是凝固行为），从而达到改善合金组织，最终提高合金性能的目的。在固态相变方面，研究了强磁场对高铌TiAl基合金热处理过程中组织演化的影响规律和机制。借助“原子-空位扩散理论”阐明了强磁场通过影响合金退火过程中原子扩散的振动频率和振动熵，进而抑制了原子扩散行为。模型合金中的合金化元素原子扩散受到抑制后，尤其Fe原子的扩散受到抑制后，会阻碍块状α2相中的α2→γ转变，即抑制α2相中的γ相晶粒的长大。研究还发现，不施加磁场时在长大的γ相中会形成一种新型γ/τ2片层结构，施加强磁场后该片层结构的形成也会由于强磁场抑制Fe元素扩散而被抑制。此外，通过添加少量Fe元素来改善合金的高温变形加工能力。设计出热加工窗口更大，超塑性温度更低（900°C~950°C）的Ti44Al6Nb2Fe合金。在液固相变方面，利用冷坩埚定向凝固技术在不同电源输入功率下制备Ti44Al8Nb0.1B合金。利用数值模拟方法得到不同功率下冷坩埚内部及周围的磁场分布，在35kW~50kW的电源输入功率下，冷坩埚开缝处附近的磁感应强度最高可达0.03T。进一步也利用模拟方法得到该磁场和电场作用下冷坩埚内合金的温度分布以及温度梯度。阐明了上述磁场分布状态下电磁搅拌、凝固速率、温度梯度等共同作用对定向凝固坯锭组织演化的影响规律和机制。建立了冷坩埚定向凝固过程中磁场分布、定向凝固组织、力学性能的关联。另结合上述研究方法和成果，利用冷坩埚定向凝固技术成功制备组织均匀、无污染、无缺陷、晶粒和片层定向效果优良的Ti44Al6Nb1Cr2V合金铸锭，其晶粒方向和片层方向同时得到很好的定向调控。采用高温压缩方法评价该定向凝固合金优异的高温变形抗力，并阐明了相关机制。本项目所取得的研究结果为利用磁场调控TiAl基合金冶金相变过程提供了一定理论和实践依据。