脉冲电流影响的冷坩埚定向凝固含稀土TiAl凝固界面行为

TiAl合金具有密度低，比强度高和高温抗氧化及抗蠕变性能好的特点，是下一代航空、航天和运输等领域轻质耐热结构的最佳选材，促进其高效和减排。为了进一步解决TiAl合金本征脆性大的难题，本项目通过系统的实验研究和理论分析，分别采取电磁场理论与数值分析，类包晶材料相似性物理模拟实验，脉冲电流冷坩埚定向凝固工艺实验和组织微观结构和性能分析测试，将脉冲电流应用于冷坩埚定向凝固TiAl坯锭制备过程，揭示了脉冲电流影响的多元全片层TiAl合金定向凝固界面行为和组织演变的微观机制，阐明脉冲电流与稀土元素联合作用TiAl合金的定向凝固组织细化规律，通过组织-性能关系的确立，在现有基础上显著提高了TiAl的工程塑性，奠定了TiAl进入实际应用的材料优化选择基础。.具体成果：(1) 稀土元素Y，Gd和Er的添加显著地影响Ti-47Al-xNb(x=2,5)合金的一次和二次枝晶间距，在含量不超过0.3at.%时起到了细化作用，提高了力学性能；(2) Lorentz力是引起电场作用下TiAl熔体发生流动状态改变的根本原因，在保持熔体流动平稳和持久性上，直流相比于交流和脉冲电流更有效；(3) 电场促进初生α相生长而抑制包晶β相生长，初生α相长成发达的树枝晶，并长出三次枝晶臂，包晶β相却生长缓慢，仅为短柱状；(4) 无电流无稀土添加时，冷坩埚定向凝固TiAl合金的柱状晶间距和片层间距随抽拉速度的增大而减小，拉伸性能受片层取向和B2相分布的影响；(5) 无电流稀土Er添加时，柱状晶得到细化，但抽拉速度增大会发生柱状晶向等轴晶转变，由Er内脱氧得到的Er2O3强化了TiAl合金，提高了力学性能；(6) 加直流电流时，对TiAl基合金定向凝固组织有一定细化作用，电流密度为60.6mA/mm2时，合金的压缩应变和断裂强度达22.1%和1365MPa；(7) 加脉冲电流时，随着电流密度和频率的增大，固液界面变得平整，晶体形貌从树枝状向胞状过渡。相比直流，脉冲电流促进柱状晶的细化和连续生长。电流密度为56.5mA/mm2，频率为100Hz时合金组织最细，合金的压缩应变和断裂强度达22.2%和1448.6MPa；(8) 脉冲电流和Er共同作用下TiAl合金得到进一步细化，随脉冲频率的增大，固液界面变得平整，晶粒尺寸减小，频率为150Hz时，合金的压缩应变和断裂强度达32.4%和1464.2MPa。