凝固路径对Ti-Al合金柱状晶等轴晶转变的影响

Ti-Al合金具有轻质、高比强、高比刚、抗氧化性能优异等特点，被认为是最具潜力的新型高温金属结构材料。由于柱状晶区和等轴晶区的存在造成铸件的组织性能不均匀，使得Ti-Al合金有限的室温塑性得不到保障，严重制约了合金的工程化进程。本项目以Ti-Al合金相选择图为基础，结合宽温度梯度大凝固速率范围的定向凝固实验，获得初生β相及包晶α相领先析出的合金成分、温度梯度、凝固速率条件。分析六方α相与四方β相枝晶形貌及取向特性对凝固界面溶质分凝的影响，获得不同凝固路径柱状晶前端等轴晶的形成机制，并建立Ti-Al合金柱状晶等轴晶转变（CET）模型。结合熔体过热度、形核密度、冷却速率对小尺寸铸件CET的作用规律，明确Ti-Al合金凝固过程柱状晶等轴晶转变的条件，为工程铸件组织控制提供理论指导。

研究了Ti-Al合金与凝固路径相关的柱状晶等轴晶转变。采用相场法和元胞自动机法研究了合金凝固过程枝晶形貌的变化，以及凝固条件对柱状晶等轴晶转变的影响。研究了Ti-Al合金与Al2O3/ZrO2/Y2O3坩埚的界面反应，发现较高的氧含量会导致凝固组织的变化，选择了Y2O3作为试验用模壳材料。通过定向凝固实验研究了二元和多元Ti-Al合金的柱状晶等轴晶转变，确定了Al含量和凝固速率对柱状晶等轴晶转变的影响。当凝固速率为500μm/s时Ti-49Al合金为柱状晶组织，而Ti-46Al和Ti-49Al合金中出现了柱状晶等轴晶转变，表明Ti-Al合金的柱状晶等轴晶转变不仅取决于凝固速率，还取决于与合金成分相关的凝固路径。采用以临界稳定性判据为基础的枝晶生长模型预测了Ti-Al合金的柱状晶等轴晶转变，并且根据计算结果和定向凝固实验结果，给出了α相和β相的形核过冷度，以及Ti-48Al-2Cr-2Nb合金不发生柱状晶等轴晶转变的凝固速率范围。