高压凝固条件下高Nb-TiAl合金组织调控及其失效机理研究

Due to the excellent mechanical properties, high Nb-TiAl alloy is one of the most potential structural materials in the aerospace and automotive industry. However, the brittle B2 phase and its derivative phase would deteriorate the ductility greatly at elevated temperature, which has restricted its further application largely. Conventional studies focused on improving the ductility by changing the morphology of B2 phase by changing solidification process and heat treatment, the significant influence of high pressure on improving mechanical properties by high pressure solidification has been ignored. Also, the formation and growth mechanism, the relationships between the B2 phase and the major phase have not been fully understood. So the current subject will study high Nb-TiAl alloy solidified under high pressure to clarify the solidification process and evolution behavior of B2 phase. Further, the evolution mechanism of microstructure will be built. The failure mechanism of high Nb -TiAl alloy solidified under high pressure will be clarified. Therefore, the study of this subject will have directive significance for the strengthening and toughening of high Nb -TiAl alloy.

高Nb-TiAl合金以其优异的高温综合性能，在航空航天及汽车发动机等领域具有极大的应用前景。但合金中的B2相和其高温分解后的脆性相，会明显恶化合金的塑性，极大的限制了高Nb-TiAl合金的应用。传统的研究往往采用控制冷却方式、热处理来调控B2相的形貌及状态，往往忽略了高压对凝固过程的重要影响，对高压下B2相的形成过程、生长机理、以及其与主相的关系缺乏基本的认识。因此，本项目以高Nb-TiAl合金在高压下的凝固行为展开研究，阐明B2相在高压下的组织演变行为，进而建立高压下高Nb-TiAl合金组织调控机理，分析并揭示不同组织状态下高Nb-TiAl合金失效机制，为其强韧化提供理论基础。

高Nb-TiAl合金以其优异的高温综合性能，在航空航天及汽车发动机等领域具有极大的应用前景。本项目结合第一性原理首先对不同Nb含量添加TiAl合金各相的力学性能进行了理论分析，并合实验结果对TiAl合金的组织与力学性能进行分析，发现Nb添加有利于TiAl合金塑性的增加，耐腐蚀性能亦有所提高。对不同压力下Ti-45Al和Ti-45Al-8Nb合金进行第一性原理分析，当凝固压力超过10GPa时，α2-Ti3Al相可由脆性材料转变为塑性材料；当凝固压力超过15GPa时，γ-TiAl相可由脆性材料转变为塑性材料。在4GPa和7GPa压力下分别制备了Ti-45Al-8Nb合金，凝固压力增加使得α2-Ti3Al相体积分数增加。在4GPa压力下凝固时，片层组织体积分数大量降低，合金组织主要由B2相与大量α2相构成，且B2相位于α2相的正中心，即B2相是由于包晶转变不完全由高温β相有序化形成。在7GPa压力下凝固时，B2相体积分数降低，合金组织主要由α2及块状γ相组成。进一步对不同压力下Ti-45Al-8Nb合金的力学性能和耐腐蚀性能进行分析发现，压力的增加使得合金的硬度和弹性模量均有所增加；不同压力下凝固时，保护电位Ep值均大于常压凝固，即压力的增加有利于提高材料的点蚀修复能力。在4GPa凝固时，合金获得最优的耐腐蚀性能。