含高量W,Nb低量Al的五元铸态TiAl合金的凝固基理研究

Through solidification researches on the as-cast high W, Nb containing and low Al containing TiAl Alloys, grain-refining solidification and the effective segregation coefficients of the Ti-Al-W-Nb-B Alloys are revealed.The crystallization path of different component(the thermodynamic condition) and different cooling rates(the dynamics condition) in multicomponent metal system are studies.The effect of the alloy composition and the cooling rate on L→B, L→a? solidification routes and L+B→ap? solidification route are proposed.The phase equilibrium relationships(including B phase, a phase, ap phase, Yp phase and w(B2) phase) in Ti-Al-W-Nb-B system are determined by quantitative analysis. Improvement of the series of the thermodynamic and thermophysical parameters as the basis, combined with its dynamic characteristics, to establish a quantitative description of the formation of solidification microstructure theory, realization of solidification path, composition segregation, combination, morphology and defect quantitative prediction.For the study of industrial application of multielement and multiphase alloy solidification laws provide a reference.

通过开展对含高量W,Nb低量Al的五元TiAl合金(Ti-Al-W-Nb-B)系列的液-固相变基本规律的研究, 揭示该系列合金细晶凝固和显微偏聚控制的机理。鉴定在一定成分（热力学条件）和一定冷速（动力学条件）条件下这种合金体系的不同结晶路径, 确定初次晶L→B和L→a?析出和发生包晶转变 L+B→ap?的临界成分点和临界冷却速度。定量分析该系列合金在凝固过程中的各相 (包括初次B相，初次a?相, 包晶ap相, 包晶Yp相,以及残余留存的有序w（B2）相)之间的相平衡关系。以完善该系列合金的热力学及热物性参数为基础，结合其动力学特征，建立凝固组织形成的定量描述理论，实现凝固路径、成分偏析、相组合、组织形态及缺陷的定量预测。为研究工业应用多元多相合金的凝固规律，探索工业合金与结构件的凝固组织精确控制的原理和方法，发展凝固控制技术和基于凝固控制的新材料提供参考。

含有钨的高铌多元TiAl合金相对于单纯含高铌的多元TiAl合金更难实现均衡的细晶凝固。TiAl合金的细晶凝固的质量控制因所加入的难熔合金的数量和种类的不同而差异很大。钨是高熔点重金属元素，又是强的相稳定元素。添加钨比添加其他合金元素(如铌、铬、锰等)更容易引起合金在凝固时的成分偏聚，枝晶偏聚，更多地在局部范围改变了TiAl合金的固有凝固规律：如初次晶析出 L-->a 和 L-->b 的临界成分点, 发生包晶转变 L+b-->ap 和L+a-->Yp 的临界成分点等。由于液态合金的成分偏聚加剧, 致使液态合金中的局部区域 1）富含钨铌合金元素而在凝固时形成极为稳定的b相, 其结果是在随后冷却中形成有序的B2相，并从B2中析出脆性b相；2）富含铝元素而导致出现 L+b-->ap凝固相变和L+a-->Yp凝固相变，形成粗大的ap 包晶组织以及Yp在晶界的偏聚。这样就使得铸锭合金形成具有不均匀结晶晶粒的固态组织。 显然, 如何制备晶粒细小, 均匀,无有害偏聚相的含钨铌TiAl合金是一个需要深入研究的问题, 这是有效发展这种高稳定性高强度TiAl合金的一个亟待解决的关键。. 本项目运用物理冶金的基本观点，研究了含钨、铌γ-TiAl合金化学成分和冷速对细晶凝固的影响机制。研究发现，含钨、铌多元TiAl合金存在着明显的晶粒难以均匀细化的特性，其细晶凝固质量可通过控制合金中钨和铝的含量来控制。通过降低Al 含量可避免包晶，获得更多的初晶，从而通过固态相变的“多向形核”机制细化晶粒。另外重金属W导致严重的枝晶偏析和“枝晶间隙粗化”现象，枝晶间隙因富Al而形成粗大包晶晶粒。降低W含量（从1.4 at.%到1.0 at.%）能够明显减少此类合金的晶粒粗化。在不同冷速下，铸棒的晶粒尺寸沿直径分布均呈现典型的“M”型特征：由表及里为表层细晶，过渡区急剧粗化，心部再适度降低粗化的总体趋势。冷速快，晶粒沿铸棒直径分布差异因过渡区晶粒粗化反而增大。这和后凝固的液体富Al，导致包晶反应有关。. 本研究对有关机理进行了深入探讨和分析。