定向凝固Ti-46Al-8Nb合金的微观组织演变与微观偏析(英文)

在3～70μm/s的生长速度范围内对Ti-46Al-8Nb(摩尔分数,%)合金进行定向凝固实验,研究其微观组织演变和微观偏析形式。在该生长速度范围内,固-液界面表现为规则的枝晶生长,一次枝晶间距随着生长速度的加快而逐渐减小。在定向凝固过程中观察到典型的L+β→α包晶反应,最终得到具有α2/γ层片和B2相的微观组织。在各个晶粒中,层片与β相枝晶初始生长方向呈0°或45°。包晶反应导致严重的成分偏析,在凝固过程中,铝富集在枝晶间,铌富集在枝晶心部。随着α相的形核和生长,铌的偏析程度逐渐增大,从而促进B2相的析出,而富集在枝晶间的铝在包晶反应发生后逐渐变得均匀、一致。     

生长速度与试样直径对定向凝固Ti-46Al-8Nb合金显微组织和硬度的影响

对Ti-46Al-8Nb（摩尔分数,%）合金进行布里奇曼型定向凝固实验,考察生长速度和试样直径对合金显微组织、相变路径和硬度的影响。结果表明,随着生长速度的增加和试样直径的减小,凝固过程由完全β相凝固转变为具有包晶反应的凝固过程,其最终显微组织为α2/γ层片及有α2/γ层片和B2相组成的多相组织。以上结果是由扩散和对流的减弱造成的溶质富集而引起的。包晶反应的发生往往导致严重的溶质偏析,其中溶质Al和Nb的偏析使得层片组织较为粗大。因此,在较高生长速度下发生包晶反应时,合金硬度值急剧下降,硬度曲线随着生长速度的增加呈不连续变化。严重溶质偏析导致的粗大层片组织也使得该成分合金的硬度低于其他Ti Al基合金的硬度。     

生长速度对定向凝固Ti-50Al-6Nb合金微观组织演变及其硬度的影响

对Ti-50Al-6Nb(at%)合金进行不同生长速度下的定向凝固实验,研究了生长速度对微观组织演变、相变路径、微观偏析和硬度值的影响。结果表明,在较低的生长速度下(≤10μm/s),凝固过程为完全β相凝固,固液界面随生长速度的增加发生平胞枝转变,最终得到α2/γ层片组织(在10μm/s时为α2/γ+B2相的组织),其中层片结构与生长方向呈45°或0°夹角。在较高速度(≥15μm/s)时,初生相为α相,固液界面为规则枝晶生长。最终组织为α2/γ层片组织,并与生长方向呈90°夹角。该成分合金的硬度值随着生长速度的增加而增加。与其它合金相比,该成分合金的硬度值较小。     

BaZrO3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金的微观组织研究

采用BaZrO_3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金。通过扫描显微镜、金相显微镜和XRD等手段分析了BaZrO_3耐火材料与金属熔体之间的界面情况、熔体通过螺旋选晶器后的晶粒数目和片层变化、晶臂与枝晶干的夹角以及凝固后Ti-46Al-8Nb合金的组织形貌。结果表明,BaZrO_3复合型壳与Ti-46Al-8Nb合金之间存在约为10μm的扩散层;在抽拉速度7.7 mm/min、温度1 550℃条件下,Ti-46Al-8Nb合金的初生相为α相以及β相,经过定向凝固后的微观组织为γ＋α_2片层、γ相以及B2相;在定向凝固过程中,螺旋选晶可以明显使晶粒数目减少,但是对片层间距的大小无影响。     

抽拉速率对Ti-48Al-6Nb合金籽晶法定向凝固组织的影响

以Ti-44Al-3Nb-2Si为籽晶,研究了不同抽拉速率对Ti-48Al-6Nb合金籽晶法定向全片层组织的影响。结果表明,6μm/s抽拉速率下,固/液界面为平界面生长,凝固组织中片层方向能够与生长方向保持一致。当抽拉速率增加到15μm/s时,固/液界面以枝晶方式生长,凝固组织中出现非择优<112軈0>取向的α相与择优取向β相共生生长组织。当抽拉速率增加到25μm/s时,α相树枝晶生长将在枝晶间析出β相,破坏定向全片层组织。用Ti-44Al-3Nb-2Si籽晶,低抽拉速率保证高温α相以平界面生长,可以实现Ti-48Al-6Nb合金的引晶。     

Ti-47Al合金籽晶法定向凝固过程中的组织演化

以Ti-43Al-3Si为籽晶,对Ti-47Al合金籽晶法定向凝固过程中的相选择和组织演化规律进行了研究.凝固初期,液相中富含Si,促使α相为其初生相,获得了与生长方向平行的全片层组织.随着凝固的进行,液相成分逐渐接近Ti-47Al.生长速率为90 mm/h时,凝固组织以胞状树枝晶形态生长,由于晶体生长形态对界面前沿溶质分布的影响,在稳定的溶质边界层建立前,Al和Si含量不能保证α相的连续生长,β相在α枝晶间形核长大,出现与凝固方向成45°夹角的片层,破坏了片层取向的一致;生长速率增至720 mm/h时,凝固组织中枝晶生长发达,枝晶间距减小,基本转变为以择优取向生长的α相.     

一种Ni-Fe-Cr基合金的凝固特征和偏析行为研究

采用定向凝固技术结合液淬法研究了一种Ni-Fe-Cr基合金平界面和枝晶生长条件下的凝固特征和溶质偏析行为。结果表明,合金的组成相为γ基体、MC型碳化物和γˊ沉淀强化相,凝固顺序为L→L+γ→L+γ+MC→γ+γˊ+MC。平界面生长条件下淬火界面两侧溶质含量测定结果表明, Ti、Nb和Mo元素富集于液相,溶质分配系数小于1。Fe元素富集于固相,溶质分配系数大于1。Al和Cr元素在液固两相中浓度差别较小,溶质分配系数接近1。此外,固/液界面前沿存在溶质边界层,边界层内溶质原子通过扩散传输,边界层外主要借助流动传输。枝晶与平界面生长的溶质偏析行为基本一致,然而,枝晶生长时糊状区残余液相中溶质浓度与平界面生长时固/液界面前沿溶质浓度存在显著差别。枝晶生长条件下糊状区溶质偏析程度显著高于稳态生长区,固相反扩散和MC型碳化物的析出显著降低枝晶偏析程度。     

定向凝固Ti-50Al合金组织演化及其片层取向控制

对Ti-50Al(原子分数,%)合金在较宽的生长速率范围内进行定向凝固实验,研究了生长速率对固/液界面形态、微观组织演化及片层结构形成的影响.发现合金在1-5μm/s的速率范围内均以α胞晶单相生长,最终形成全片层结构;当生长速率达到10μm/s时,在初始凝固的较长距离内为α胞品单相生长,随着凝固的进行,胞晶间溶质逐渐富集,晶间出现从液相析出的γ相,最终不能形成全片层结构;当生长速率大干15μm/s时,合金以α枝晶生长,枝晶间也出现γ相.对各生长速率下形成的片层结构取向的分析表明,片层结构取向与定向凝固启动界面处铸态品粒的取向的历史有关.根据上述规律,以Ti-50Al合金为籽晶和主体合金,选择确保α单相凝吲的生长速率8 μm/s,进行片层取向控制,最终扶得取向与生长方向一致的全片层结构.     

高铌TiAl合金中Nb偏析区的相变规律

通过扫描和透射电镜研究了铸造Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y合金中Nb偏析区的相结构及其经中温和高温热处理后的相变规律。结果表明,铸造合金中的偏析区由约1μm大小的ωo相(B82结构)及其所在的βo(B2结构)与细小的ω相关相混杂而成的基体组成。中温较长时间处理后合金的Nb偏析区部分转变为γ相,已经发现3种βo(ω)→γ相变机制,即由基体的片层外延生长成为等轴γ、βo直接形成γ以及与已经存在的γ形成真孪晶后向βo推进。剩余偏析区表现为βo内分布着ωo或表现为纯的βo相。高温较短时间处理可以消除Nb偏析区,使偏析区由βo及ωo相关相转变为α2相。     

抽拉速率对含Ru镍基单晶高温合金凝固组织的影响

研究了不同抽拉速率对含Ru镍基单晶高温合金凝固组织的影响.结果表明,随着抽拉速率的加快,单晶合金的铸态组织由粗枝状晶向细枝状晶演变,枝晶干和枝晶间的γ′相尺寸减少,合金元素的偏析降低,γ-γ'共晶含量减少,NiAl基β相含量逐渐降低.同时,抽拉速率对合金的相变温度影响不大.     

定向凝固过共晶Nb-Si基合金的组织优化

采用液态金属冷却定向凝固炉制备Nb-16Si-24Ti-10Cr-2A1．2Hf合金,凝固速率分别为1．2、6、18、36、50mm／min,随后对定向凝固速率为50mm／min的合金进行（1400℃,10h）,（1450℃,10h）和（1500℃,10h）的热处理。研究了定向凝固速率和热处理温度对合金微观组织的影响。结果表明：合金的定向凝固组织主要由沿着试棒轴向生长的初生Nb5Si3相和耦合生长的Nbss／Nb5Si3共晶胞组成,在共晶胞边缘,有少量的Cr2Nb存在。横截面上共晶胞边界明显,随着凝固速率的增加,定向凝固组织明显细化,Nbss／Nb;Si,共晶胞形貌也发生变化。合金经过热处理,Nbss连成基体,部分CrENb相熔解,微观成分偏析减小。经过（1450℃,10h1热处理,实现了对过共晶Nb—Si基合金的组织优化。     

TiAl合金定向全片层组织的籽晶法制备

以Ti-43Al-3Si为籽晶,在Ti-47Al合金中成功的制备出了与生长方向平行的定向全片层组织.结合Ti-Al二元相图,分析了亚包晶和过包晶成分合金的凝固路径,确定了籽晶法控制TiAl合金片层方向对母料合金成分的要求.通过对不同生长速率下Ti-47Al合金籽晶法定向凝固组织的观察发现,成功的引晶生长应保证高温α相沿非择优取向<1120>以平界面生长,即采用足够高的温度梯度和足够低的生长速率. Α相胞状树枝晶生长过程中将在枝晶间析出β相,破坏定向全片层组织.     

β相区凝固的铸造γ-TiAl基合金的微观组织(英文)

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及差示扫描量热仪(DSC)研究Ti-43Al-4Nb铸态合金及其热处理态合金的显微组织以及相转变行为。结果表明:通过从β相区凝固的方法可以获得组织细小的铸态Ti-43Al-4Nb合金;凝固过程中γ晶能够直接从β相中形核,β相与γ相沿初始α晶界共存,有效地抑制了铸态Ti-43Al-4Nb合金晶粒的长大;Ti-43Al-4Nb合金在凝固过程中的相转变顺序为L→L+β→β→α+β→α+βr→α+γ+βr→(α2+γ)片层+γ+βr;经1250℃、16h热处理后,Ti-43Al-4Nb合金的显微组织与铸态组织相比有一定程度的粗化;由于Nb元素的充分扩散以及β相的非平衡状态,经过上述热处理过程后残余β相能够被完全消除。     

基于CA方法的Ti-45Al合金定向凝固过程微观组织模拟

采用CA方法建立了Ti-45Al(at.%)合金定向凝固过程中的组织演变数值计算模型,考虑了二元合金包晶反应过程,对液态金属冷却定向凝固过程中Ti-45Al合金的组织演变进行了模拟。模拟结果表明,定向凝固组织分为初生等轴晶组织、稳定生长的柱状晶以及中间过渡区域3部分,柱状晶一次臂间距随抽拉速度增大而减小。Ti-45Al合金在0.1 mm/min抽拉速度条件下,得到了以初生β相为主的凝固组织,在枝晶间溶质富集处有少量的包晶相析出,与相关试验结果基本一致。     

冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织的影响

通过改变凝固过程中的冷却速率,研究了冷却速率对Mg-Gd-Y-Zr合金凝固组织与成分微观偏析的影响.随冷却速率提高,合金组织明显细化,初生相形貌由粗大等轴枝晶逐渐向细小树枝晶转变,合金凝固过程中形核率增加,合金晶粒尺寸逐渐减小;冷却速率的提高可以降低溶质元素的扩散速率,从而增加合金元素在枝晶干中的固溶度,减轻凝固过程中合金元素Gd与Y的微观偏析,同时使凝固过程中形成的共晶减少,共晶组织分布更加弥散、均匀.     

凝固速率跃迁对定向凝固Al-40%Cu过共晶合金初生Al_2Cu相的影响

采用高温度梯度定向凝固装置进行了Al-40%Cu(质量分数)过共晶合金的定向凝固实验,研究了凝固速率跃迁过程中的凝固组织演变.结果表明,当定向凝固速率从10μm/s跃迁减速到2μm/s时,由于固/液界面附近的液相成分向共晶点成分变化以及耦合共晶组织的界面生长温度高于初生Al_2Cu相的界面生长温度,合金凝固组织从初生Al_2Cu枝晶和Al/Al_2Cu共晶组织转变为全耦合层片共晶组织.组织转变过程中,板条状的初生Al_2Cu相先分解成小尺寸的初生相,然后小的初生相逐渐被共晶组织所取代,这种组织转变是凝固界面前沿液相中溶质扩散不足造成的,而不是由合金中存在的热及溶质对流引起的.在初生相生长形态中,由于凝固速率跃迁引起的界面前沿液相中Cu成分富集,造成凝固界面生长温度升高,Jackson因子α变小,Al_2Cu初生相由小平面相向非小平面相转变.     

Pb-Bi-Sn准包晶合金定向凝固微观组织演化

采用液态金属冷却定向凝固结合液淬法,在温度梯度为18 K/mm、凝固速度为0.5～100 μm/s的条件下系统研究了Pb-30％Bi- 18％Sn准包晶合金的微观组织演化及溶质分布规律.主要从凝固路径、相组成、溶质分布及微观组织特征等几个方面来研究Pb-Bi-Sn准包晶合金定向凝固过程的组织演化.其中,准包晶合金的凝固路径通过DSC差热分析的方法进行研究,发现其凝固路径为:L→L+α-Pb→L+α-Pb+β-Pb7Bi3→L+α-Pb+β-Pb7Bi3+Sn→ (β-Pb7Bi3+Sn)共晶.结合XRD,分析定向凝固试样的相结构,结果表明:试样由具有面心立方结构的α-Pb相、密排六方结构的β-Pb7Bi3相和体心正方结构的(Sn)相构成.在Pb-Bi-Sn合金定向凝固过程中,当凝固速度为0.5～2 μm/s时,初生α-Pb相以胞状界面生长,而当凝固速度增大至5μm/s及以上时,初生α-Pb相将由胞状转变为枝晶状界面生长.利用能谱分析仪对定向凝固试样进行溶质分布测试,发现局部出现溶质偏析,导致共晶组织(β-Pb7Bi3+Sn)出现.     

真空铜模吸铸TiAl基合金凝固行为

采用真空铜模吸铸技术成功制备了Ti-45Al-2Cr-2Nb合金铸件。借助扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)及X射线衍射仪(XRD)分析铸态和吸铸条件下显微组织形貌特征、各相成分以及相组成,并且和铸态组织进行了比较研究。结果表明:铸态和吸铸凝固组织的主要相组成均为α_2相和γ相。铸态显微组织观察与Al当量计算结果一致,铸态Ti-45Al-2Cr-2Nb合金是以β为初生相的单一β相凝固合金;吸铸糊状区凝固组织明显细化,晶粒尺寸由244μm细化至96μm,同时降低了凝固偏析,呈现胞状枝晶形貌,枝晶干上存在白色脉络状的β型偏析和残余的条状α相,在表面急冷区观察到块状γ相(γ_m)和羽毛组织(γ_f),块状γm相区域的厚度约为62μm。     

不同冷却速率对GH4151高温合金定向凝固组织及元素偏析的影响

为了进一步降低合金凝固偏析程度和优化真空自耗冶炼(VAR)工艺,利用液态金属冷却法(LMC)对GH4151合金进行定向凝固实验,采用光学显微镜、扫描电镜及电子探针等研究了冷却速率对GH4151合金定向凝固组织及元素偏析的影响。结果表明：随着冷却速率的增加,一次枝晶间距λ₁及二次枝晶间距λ₂均逐渐减小,两者与冷却速率间满足相似的函数关系。而且,枝晶干及枝晶间γ′相尺寸也随冷却速率的增加逐渐减小,组织均匀性提高。对凝固组织元素成分分布的电子探针分析表明：GH4151合金主要偏析元素为W、Nb、Ti,偏离程度在20%以上,且3种元素显微偏析程度均随冷却速率的增加而加重,原因在于随着冷却速率增加,凝固前沿固相层可供溶质扩散的时间减少,扩散效果减弱。     

定向凝固Ti-45Al-7Nb合金的组织特征

研究了液态金属冷却定向凝固条件下Ti-45Al-7Nb(at%)合金的组织特征。结果表明:定向凝固过程中合金的凝固路径及稳态区片层取向均受到抽拉速率的影响。当抽拉速率为0.36mm/min时,合金的初生相为α相,与生长方向垂直的片层组织生长占优;抽拉速率介于1～10mm/min时,合金初生相变为β相,凝固过程中会经历β单相区,片层取向多为与生长方向成0°和45°;当抽拉速率增加至20mm/min时,合金初生相仍为β相,随后发生L+β→α包晶反应,与抽拉方向之间的夹角介于45°～75°之间的片层组织生长占优。