Ti-Al-Nb-Mo-B-Hf体系相图热力学数据库建立及 γ-TiAl 合金凝固过程中硼化物结构与形貌控制
批准号:
52071339
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
刘立斌
依托单位:
学科分类:
金属材料设计、计算与表征
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘立斌
中文摘要
B是 γ-TiAl 合金中普遍采用的晶粒细化元素。随合金体系和冷却速度不同,硼化物具有复杂多变的结构和不同的形貌。如何控制硼化物结构与形貌是提高铸造γ-TiAl合金叶片性能需要解决的关键科学问题。第一原理计算是理解硼化物复杂多变结构的基础,相图是理解γ-TiAl合金中硼化物形貌的关键。Hf是γ-TiAl合金重要合金元素,HfB2 熔点为3378℃,比TiB2高178℃,因此在含硼的γ-TiAl合金中加Hf,可以扩大硼化物初晶区,提高硼化物形核率,减少粗大和弯曲长条状硼化物的形成,提高合金的室温塑性。本项目以如何控制硼化物的结构与形貌为出发点,开展硼化物自由能的第一原理计算,测量与优化部分含Hf体系的相图,构建Ti-Al-Nb-Mo-B-Hf体系相图热力学数据库,计算γ-TiAl合金凝固过程中的凝固通道与相反应,揭示Hf对硼化物结构与形貌的影响,为提高γ-TiAl合金叶片的性能打基础。
英文摘要
B is a common grain refiner of γ-TiAl alloy. The crystal structure and morphology of titanium borides vary with the alloy composition and cooling rate, which will impact the properties of the casting TiAl blades. How to control the structure and morphology of the borides is a key problem for improving the properties of casting γ-TiAl blade. First principle calculation is an useful tool for understanding the structure of borides. Phase diagram is a key to understand the morphology of borides. Hf is an important alloying element for γ-TiAl intermetallics. The melting points of HfB2 is 3378℃, which is 178℃ higher than that of TiB2. Thus, addition of Hf into the B containing γ-TiAl alloy will enlarge the primary phase field, increase the nucleation rate, reduce big borides and boride ribbons, and increase the plasticity of the casting TiAl alloy at room temperature. The scope of this project is calculating the Gibbs energy of borides with first principle method, determining and optimizing the phase diagram of some Hf containing systems, constructing the thermodynamic database of the Ti-Al-Nb-Mo-B-Hf system, predicting the solidification path and phase reactions during solidification of the γ-TiAl alloys, and exploring the influence of Hf to the structure and morphology of the boride, so as to build a sound scientific bases for improving of the properties of the casting TiAl alloy blade.
近年来,如何提高γ-TiAl合金的性能并将其运用于航空航天领域是一大问题。B是γ-TiAl合金中普遍采用的晶粒细化元素,对γ-TiAl合金精密铸造叶片的力学性能有极为重要的影响。由于HfB2的熔点非常高,因此Hf预计可以扩大硼化物初晶区,提高硼化物形核率,减少粗大和弯曲长条状硼化物的形成,提高合金的室温塑性。本项目旨在测量与优化部分含Hf体系的相图,构建Ti-Al-Nb-Mo-B-Hf体系相图热力学数据库,计算γ-TiAl合金凝固过程中的凝固通道与相反应,揭示Hf对硼化物结构与形貌的影响。..本项目运用平衡合金法测量了Al-Mo-Hf三元体系673K和873K、Al-Nb-Hf三元体系673K和873K、Ti-Mo-Hf三元体系1073K和1273K下的等温截面,结合了第一性原理,CALPHAD等方法对Al-Mo-Hf、Ti-Mo-Hf等三元系进行了热力学评估,基于热力学数据的自洽性与合理性,对Al-Hf、Ti-B-Hf体系进行了重新评价,获得了部分含Hf体系的可靠的Gibbs自由能参数,构建了Ti-Al-Nb-Mo-B-Hf体系多元相图热力学数据库。..通过凝固过程热力学分析法,采用多元热力学数据库,运用Panda或Thermo_Calc等热力学计算软件,计算了平衡凝固和Scheil凝固下TiB和TiB2的凝固通道,相反应和最终产物中各个相的分数随温度的变化。具体分析了硼、铪和钽含量对β凝固γ-TiAl合金硼化物形态和显微组织的影响,冷却速率对新型亚稳β钛合金ω相析出及变形机理的影响。当添加Hf时,硼化物形态从平坦变为弯曲。相反,当添加Ta时,硼化物的长度和宽度变小,出现了形态复杂的树枝状硼化物。固溶强化(硼、铪和钽)、沉淀强化(硼化物)和晶粒细化的结合提高了合金的硬度。本研究表明,与Hf相比添加Ta可以在细化硼化物的尺寸起到更重要的作用,有利于进一步改善γ-TiAl合金的室温性能。..本项目的研究成果为γ-TiAl合金在航空航天领域的发展和应用奠定了基础。所初步构建的Ti-Al-Nb-Mo-B-Hf体系多元相图热力学数据库为钛铝合金的凝固与热处理过程中的组织演化模拟提供关键的热力学信息。此外其他相关研究成果可用于钛合金的设计与开发与钛合金医用植入材料设计。
Ti-Mo-Nb-Ta-Zr-Sn体系相图热力学、扩散动力学研究
-
批准号:51671218
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:60.0万元
-
批准年份:2016
-
负责人:刘立斌
-
依托单位:
铝基非晶合金相图与微合金化
-
批准号:51371200
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:80.0万元
-
批准年份:2013
-
负责人:刘立斌
-
依托单位:
可铸耐热铝合金的相图与合金化研究
-
批准号:50971136
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:36.0万元
-
批准年份:2009
-
负责人:刘立斌
-
依托单位:
Al-Cu合金体系相图及微合金化研究
-
批准号:50771106
-
项目类别:面上项目
-
资助金额:30.0万元
-
批准年份:2007
-
负责人:刘立斌
-
依托单位:
国内基金
海外基金