定向凝固TiAl合金成分−组织−性能研究进展

TiAl合金由于其低密度和高比强度,在航空材料中展现出良好的应用前景。通过定向凝固控制TiAl合金晶体取向,有助于大幅提升合金高温性能和服役温度,促进TiAl合金在新一代航空发动机上的应用。综述了近年来TiAl合金定向凝固的研究方法和成分?组织?性能关系的研究进展,总结了国内外定向凝固TiAl合金的主要研究单位及研究主题,简要介绍了定向凝固方法与模壳材料的应用情况。从合金成分角度,分析并总结了α、β相稳定元素和其他常见元素对定向凝固组织和性能的作用;从力学性能角度,介绍了定向凝固高Nb?TiAl合金在高温拉伸、蠕变、高周疲劳性能上的优势及相关机理;从定向凝固工艺角度,归纳了生长速率和温度梯度对合金凝固路径、片层取向及宏观、微观偏析的影响。展望了定向凝固TiAl合金的未来发展方向。     

单晶高温合金DD3亚结构超细化定向凝固工艺研究EI

利用ＺＭ定向凝固装置研究了镍基单晶高温合金ＤＤ３在高温度梯度（７００～１２００Ｋ／ｃｍ）定向凝固条件下的微观组织演化特征及其对工艺参数的响应函数，结果表明：该合金在高界面温度梯度条件下，柱晶生长速度范围向高速区扩展，从而使单晶亚结构细化成为可能。所得单晶棒中亚结构一次间距可比传统ＨＲＳ法定向凝固籽晶中相应尺度减小５～１０倍。本文还对其组织演化机制进行了分析。     

TiAl合金精密铸造及定向凝固用耐火材料的研究现状

TiAl金属间化合物具有低密度、高弹性模量、高比强度、良好的抗高温蠕变和抗高温氧化性能,被认为是极具潜力的高温结构材料,在航空航天及汽车发动机领域具有广阔的应用前景,特别是经定向凝固得到的TiAl合金在综合力学性能方面可得到良好的配合。然而,TiAl合金熔体由于具有高的化学活性,会与所有已知的耐火材料发生不同程度的化学反应,限制了其定向凝固铸件的生产和应用。首先回顾了TiAl合金的熔炼技术,然后对TiAl合金精密铸造及定向凝固用耐火材料的研究现状进行了总结,在此基础上提出了一种新型的TiAl合金定向凝固用BaZrO3耐火材料,并展望了其今后的发展。     

Al-Cu 合金高梯度定向凝固过程中的形态转变

本文利用 ZMLMC 定向凝固装置,研究了 Al-Cu 合金系在不同温度梯度下定向凝固时凝固界面和组织形态的变化。发现存在着两种树枝状生长和胞状生长之间的转变,即在低速范围内胞状向树枝状转变,在高速范围内树枝状向胞状转变;当温度梯度足够高时,可以在整个生长速率范围内不出现树枝状生长,获得高度细化的胞状组织;合金的结晶温度间隔越宽,完全消除树枝状生长所需的温度梯度越高。     

凝固模式对定向凝固TiAl-Nb合金组织和力学性能影响

目的 研究凝固模式对TiAl-Nb合金定向凝固组织和力学性能的影响。方法 利用Bridgman定向凝固方法制备了单一β、亚包晶、过包晶以及单一α相4种凝固模式的TiAl-Nb合金,对显微组织进行观察,并进行室、高温拉伸性能测试及断口形貌分析。结果 单一β凝固模式柱状晶明显倾斜,其他凝固模式合金的柱状晶挺直且宽度较均匀,除单一α凝固合金中片层方向近似与定向凝固方向平行外,其他模式凝固合金中大部分片层方向与定向凝固方向呈近45°夹角;拉伸性能结果显示,亚包晶合金室温和高温抗拉强度最高,分别为429和483 MPa,单一α相合金室温和高温抗拉强度最小,分别为281和204 MPa。结论 亚包晶合金其室温和高温拉伸性能均高于其他凝固模式的合金性能,但定向凝固试样制备过程中产生Y2O3颗粒夹杂,导致拉伸试验过程容易形成应力集中,致使定向凝固TiAl-Nb合金较早发生断裂。     

定向凝固钛铝合金熔体与铸型界面反应研究展望

钛铝合金是性能优异的高温合金,在航空航天领域有广泛的应用前景,但由于其熔体具有较高的活性,制备时熔体与所有已知的铸型材料会发生不同程度的反应,限制了钛铝合金铸件的发展.定向凝固技术作为制备高精度钛铝合金的新工艺,使铸件组织定向排列,可以进一步提高钛铝合金的使用性能,因此如何调控凝固过程中钛铝合金熔体与铸型材料间的界面反应成为目前有关定向凝固钛铝合金研究的一个热点.从目前国内外关于钛铝合金熔体与铸型材料间界面反应的研究出发,综述了定向凝固过程中铸型材料、涂层成分、工艺参数及合金元素等对界面反应的影响,介绍了界面反应的理论水平,系统收集了界面反应的各项研究结果.     

氧化物共晶陶瓷定向凝固研究进展

定向凝固氧化物共晶自生复合陶瓷具有优异的高温强度、抗氧化性、抗蠕变性以及良好的高温结构稳定性,被认为是新一代在高温氧化性气氛中长期工作的首选超高温结构材料之一。回顾了氧化物共晶自生复合陶瓷的发展历史,总结了目前定向凝固氧化物共晶陶瓷凝固组织和力学性能方面的研究现状,同时结合作者在本领域的研究,着重分析了高温度梯度定向凝固条件下氧化铝基共晶陶瓷的组织特征、凝固特性、力学性能以及增韧机制。最后展望了定向凝固氧化物共晶陶瓷的发展趋势。     

高温合金电磁软接触近净成形定向凝固研究

传统高温合金叶片类铸件制备过程中,熔体长时间受到陶瓷模壳材料的污染,性能难以提高,借助于电磁软接触成形技术中的电磁压力使高温合金熔体呈半悬浮状态,减少了熔体与磁模结晶器的接触面积和时间,提高了合金熔炼和成形的纯净度,同时将该技术和定向凝固技术相结合开发了一种实现高温合金复杂形状电磁软接触成形定向凝固的工艺,并探讨了该工艺下3种结晶器材料（陶瓷、磁模和石墨）中磁感应强度的分布规律,结果表明,石墨套高度对磁模结晶器磁感应强度的大小和分布以及熔体温度场有很大影响。通过调整上下线圈功率和抽拉速度等工艺参数成功地制备了大小两种近叶片形状的高温合金电磁软接触成形的定向凝固样件。．     

定向凝固过程中温度参数对含Re镍基单晶高温合金铸态组织的影响

研究了一种含Re为4.0%～5.5%(质量分数)的实验型镍基单晶高温合金在不同定向凝固结晶条件下铸态的宏微观组织特征,分析了凝固结晶温度参数对单晶完整性、显微疏松与共晶含量、枝晶偏析等的影响。结果表明:高的熔体过热处理温度不仅促进合金元素分布的均匀化,同时降低了高Re和高难熔元素含量的单晶合金结晶缺陷的倾向性,提高了单晶完整性。合金熔体过热温度、铸型温度/浇注温度的适度提高有利于枝晶间的补缩,并减少显微疏松。     

TiAl基合金冷坩埚定向凝固研究现状与发展趋势

冷坩埚定向凝固技术基于材料电磁加工原理,将合金连续熔化、电磁约束成形和连续凝固过程统一,避免模壳法定向凝固造成的合金熔体污染,是TiAl等高活性合金高纯净定向凝固的重要方法之一。报告了TiAl基合金冷坩埚定向凝固技术的研究结果,建立了电磁场、温度场与电磁冷坩埚系统主要参数之间的规律性关系。通过改变冷坩埚的横截面形状,初步制备出具有定向凝固组织的TiAl基合金圆、方和扁锭,研究结果表明该方法不但适合于Ti-Al二元合金,而且施与多元多相TiAl基合金也是可行的。通过对成分和组织的控制,所研究的TiAl基合金定向凝固试样的室温拉伸塑性最高达到1.5%左右。最后指出将该方法应用于耐高温的轻质高Nb含量的γ-TiAlNb合金的定向凝固是未来的发展趋势。     

Microstructure and stress rupture properties of single crystal superalloy CMSX-2 under high thermal gradient directional solidification

The interface morphologies of single crystal superalloy CMSX-2 were studied over a range of cooling rate with large variations in withdrawal speeds in directional solidification. A superfine cellular structure was obtained under both high thermal gradient up to 1000 K/cm and fast withdrawal rate up to 1 mm/s. The high rate directional solidification results in reduction in primary and secondary dendrite arm spacing, refinement of γ′ phase, reduced microsegregation of alloying elements and smaller size of γ-γ′ eutectics. The rupture life and plasticity of fine structure samples produced in high thermal gradient directional solidification increase significantly than that in conventional directional solidification process at 1323 K.     

氧化物/氧化物自生复合陶瓷的生长机理与微观结构的研究进展

基于国外定向凝固氧化物／氧化物自生复合陶瓷的晶体生长动力学行为研究,阐述了其动力学机制,分析动力学因素对微观结构的影响,探讨了晶体生长动力学行为与微观结构之间的关系;同时结合以重力、超重力下燃烧合成、快速凝固技术所制备的新型高强韧Al2O3／YSZ自生复合陶瓷,探讨了自生复合陶瓷在快速凝固条件下的晶体生长动力学行为。结合定向凝固与快速凝固两种晶体生长机制,得出过冷度、凝固界面前沿的温度梯度是影响晶体生长方式的重要因素,且受二者控制的晶体生长速率则决定材料的微观结构与形态。     

定向凝固Al/C复合材料研究

本文首次进行了Al/C(SiC)复合材料定向凝固,研究了复合材料定向凝固过程以及组织形态与凝固速率的关系,获得了纤维束间胞晶和不同间距的树枝晶,发现非润湿系统复合材料定向凝固后性能降低,文中对其机制进行了探讨.     

凝固科学技术与材料

从凝固科学与实践发展的角度介绍了当前凝固材料体系的基本框架和凝固科学主要发展阶段的基本理论。作为材料科学与工程的基本组成，凝固科学技术正在现代科学理论的基础上针对传统材料的改性提高和新材料的发展需求，以控形、控构、控性为目标开展优质铸件的定向、晶体生长、快凝、深过冷及各种新型和超常领域凝固过程的研究，并介绍了其中某些方面和展望了可能的发展趋势。     

单晶高温合金定向凝固过程数值模拟

实测了不同抽拉速度单晶高温定向凝固过程的初始条件,边界条件及温度场,建立了数值模拟系统的实体模型,采用ＰｒｏＣＡＳＴ有限元模拟软件包计算了不同抽拉速度单晶合金试板的定向凝固过程温度场。     

深过冷熔体激发快速定向凝固

阐述了深过冷的方法，深过冷的遗传性，深过冷度的理论极限以及深过冷熔体激发发快速定向凝固的试验方法及其凝固过程，给出了深过冷熔体（Ｃｕ－５ｗｔ％）激发快速定向凝固与铸态试验激发快速定向凝固的初步试验结果。     

复合定向凝固法制备多晶硅铸锭

采用复合定向凝固法制备多晶硅铸锭,在精炼和定向凝固过程中施加电磁场控制柱状晶生长过程.实验制得平行于铸锭中心轴的柱状晶,直径约为1mm,铸锭表面质量良好.分析表明金属杂质并未在晶界处发生聚集;且沿铸锭轴向分布也有明显改善,增加了铸锭的有效提纯长度.并通过理论计算探讨了晶体生长速度和定向凝固次数对杂质去除效果的影响.     

High rate directional solidification and its application in single crystal superalloys

In the present paper there are two parts contributing to the discussion of high rate directional solidification and its application. The first part aims to characterize the high rate directional solidification of various kinds of alloys. It was found that the relevant cooling rate of the high rate directional solidification is defined to be within 1–10³ K/s (solidification rate is 10^-4–10^-1 m/s as G_L= 100 K/cm) and that it is located in the region between the near-equilibrium slow growth rate and the rapid solidification rate beyond the equilibrium condition, whilst at the same time there occurs a series of turning effects of interface stability and morphologies. With the increase in the growth velocity the interface with the plane front evolves to cells and dendrites at the stage of near-equilibrium and with a further increase in growth rate they transformed reversibly from dendrites to cell structure and then to the absolute stability of a planar interface. The change of solute segregation reveals the same from a lowsegregation, then increased and finally reduced again. An explanation based on effective constitutional supercooling about the evolution of interface morphologies with respect to the changes of growth rate is proposed.

The second part is devoted to introducing experimental results for single crystal superalloys using the rate directional solidiication principle. It is shown that the single crystal superalloys CMSX–2 and NASAIR 100 exhibit significant improvement in microstructure segregation and mechanical properties at high temperature both in the as-cast and after-heat-treatment conditions with the high rate directional solidification technique.     

Effect of Re Addition and Withdrawal Rate on the Solidification Behavior of Directionally Solidified Superalloy AM3

The influence of Re addition and withdrawal rate on the solidification behavior of the first generation single crystal superalloy AM3 was investigated by directional solidification and quenching experiments.The primary dendrite arm spacing and eutectic volume fraction were measured from directionally solidified superalloy AM3 with different Re contents.It is found that the primary dendrite arm spacing is determined by the withdrawal rate,and Re does not influence on the value.The eutectic fraction increases with increasing Re addition.Partition coeffcients of alloying elements were investigated with energy-dispersive X-ray spectrometry(EDS) analysis.The data was submitted to a statistical treatment to establish the solidification path,and the partition coeficients were measured by fitting the curve with a modified Scheil formula.It is shown that the addition of Re results in bigger microsegregation of alloying elements in directionally solidified AM3 superalloy.