高铌TiAl合金微观偏析的形成及演变机制研究

High Nb containing TiAl alloy based on Ti-45Al-8.5Nb (in at%) is a promising light material for new generation of aeronautic and astronautic engines. Study on the formation, evolution and elimination mechanism of microsegregation in cast ingot is one of the premises for the application of the alloy. In the present study, the relationship between microsegregation characteristics and the solidification parameters, cooling parameters will be quantitatively established. The relationship of microsegregation distribution with the dendrite size and the relationship of the microsegregation induced phases with the dendrite size are studied. For this aim, samples of high Nb containing TiAl alloy, which are prepared by Bridgman directional solidification equipment using different solidification rates, temperature gradients, heating rates and cooling rates, will be analyzed. Then the relationship of the size of microsegregation induced phases with the dissolution time and temperature is determined by heat treatments experiments for determining dissolution kinetics. For further understanding of the mechanism of the formation and elimination of microsegregation and revealing the interface-reaction mechanism，the interfaces of microsegregation induced phases and matrix will be studied by HRTEM. The results of the project will not only be of engineering importance for controlling the microstructure, optimizing parameters of cast and heat treatment and guiding the production, but also enrich the solidification and segregation theories of intermetallic materials.

以Ti-45Al-8.5Nb 为基本成分的高铌TiAl 合金是具有应用前景的新一代轻质航空航天发动机材料。认识其铸造组织中包含的微观成分偏析的形成、演变及消除的机制是推进其应用的前提之一。本项目提出通过研究偏析的分布和形成相与枝晶尺寸的联系，建立偏析特征与凝固参数和冷却参数之间的定量关系。 为此，将分析通过Bridgman 定向凝固技术制备出不同成分的高铌TiAl 合金在不同凝固速度和温度梯度下，以及不同加热和冷却条件下的含偏析试样。然后，通过热处理消除偏析形成的相，确定偏析形成相的尺寸与溶解时间和温度的关系，从而确定偏析形成相的溶解动力学规律。为深入理解偏析形成和消除机理，采用HRTEM 观察偏析形成相与基体的界面特征，从而揭示界面反应机制。本研究的结果将对控制高铌TiAl 合金组织、优化铸造和热处理工艺参数、指导生产具有工程意义。同时也会丰富金属间化合物材料的凝固和偏析理论

我国将具有自主产权的约8 Nb（原子比，下同）含量的高Nb-TiAl合金列为下一代发动机关键材料。但高铌TiAl合金的组织和性能对偏析极为敏感。研究熔炼对偏析的影响，以及偏析对合金相组成和组织的影响具有重要科学和工程意义。在此背景下，本项目首先研究了高铌TiAl合金的凝固路径和相关系，建立了相应的相图，然后研究了Nb对合金的互扩散系数的影响，又研究了凝固参数对合金组织和元素分布的影响以及对偏析形成相的形貌和体积分数的影响，最后研究了合金中Nb偏析形成的ω相的形貌及其在中、高温下与其他相的相互转变规律和机理。主要结果如下：.（1） 含7.5-10Nb的TiAl合金，Al含量小于46%时液相完全凝固为β相，Al含量在46-51.5范围内时初晶相为β相并且凝固过程中经过包晶反应，Al含量在51.5-56范围内初晶相为α相，Al含量大于56之后初晶相为γ相。 Nb偏析的结果是形成了枝晶内的网状ω（B2）相。Ti-（43-47Al）-8Nb合金网状相的体积分数为10.9%-1.1%。Ti-45Al-8Nb合金中900℃以下ω相为平衡相，但Nb偏析使得凝固组织中含有较多的ω相。.（2） 8Nb对γ相的互扩散系数几乎没有影响；对α2相的互扩散系数在高温时显著增大；增加β合金中的互扩散系数一个数量级以上。. (3) 低速定向凝固下糊状区表现为胞状树枝晶形貌，而高速凝固下表现为典型的树枝晶。Ti-（41-49）Al-8Nb合金在温度梯度为3℃/mm情况下， Al含量一定的情况下， 随凝固速度的增加而降低；凝固速度一定的情况下， 随着Al含量的增加而增加，而d随着Al含量的增加先增加然后降低。枝晶的成分分布不是沿径向浓度逐渐变化，而是由富Nb的网分布在片层团基体。典型枝晶结构的偏析比较轻。.（4）高Nb-TiAl铸态组织中的B2相区域是由大量有序ω相颗粒与B2相基体组成的B2(ω)相。冷速不同，产生有序ω相的结构不同。Ti-45Al-8.5Nb-0.2B合金铸态组织在850℃保温时不同取向变体的ωo相在B2相区域内长大，ωo相边界处的γ相小颗粒由残余B2相转变而来。片层组织中ωo向γ片层的生长是由γ/α2界面的位错攀移导致的； 8.5Nb合金中B2(ωo)在中温保温时将向γ相转变，这可以通过真孪晶、片层中γ粗化、γ直接形核等方式完成；8.5Nb合金高温保温时B2(ω)相向α2相