脉冲电流对冷坩埚定向凝固TiAl基合金微观组织和性能的影响

TiAl合金的密度较低、比强度和比模量高以及高温抗蠕变和抗氧化性能优异,还具有良好的物理性能和特殊的力学和机械性能,广泛应用于汽车工业及航空航天等领域[1~3] 但是,TiAl金属间化合物的室温塑性和断裂韧性不足[4,5]

电流凝固技术因无污染和操作简便,受到了极大的关注[6~14] 国内外学者用电流控制金属和合金的凝固过程,如低熔点金属纯Al及其合金以及Pb-Sn等合金,较高熔点的金属如铸铁及高温合金等,取得了一定的效果[15~24] 结果表明,电流不但使晶粒细化和减小枝晶间距,还能提高定向凝固过程中的界面稳定性和控制其晶体取向[25~32] Cr-Nb系TiAl基合金具有良好的塑性和强度,是较为成熟的TiAl基合金 控制TiAl基合金的片层取向以及片层取向的比例,可提高其室温塑性 本文施加脉冲电流进行高熔点、高活性的亚包晶Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb基合金的定向凝固,研究脉冲电流对其凝固组织和力学性能的影响并探讨组织演变的机理

1 实验方法

使用水冷铜坩埚和真空感应熔炼炉（ISM）熔炼实验用材料Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb(原子分数,%),用线切割从TiAl合金铸锭切取直径为19 mm长度为130 mm的圆柱形料棒,料棒与底托通过燕尾连接 将Y2O3粉末与钇溶胶混合制备的涂料刷涂于料棒底端,再将陶瓷管缓慢套在料棒外,从顶端倒入Y2O3粉末填充陶瓷管与料棒之间的空隙,在料棒顶端同样刷涂涂料,将直径为2 mm的Nb丝一端与YS9000DH型输出电源正极连接,另一端系在料棒上端裸露区域,同时将另一端与电源负极连接,插入Ga-In液中 实验原理,如图1所示 定向凝固实验：用真空泵将炉内气压抽至5 Pa以下,然后充入Ar气至300 Pa,重复该过程3次,最后充Ar气使炉内气压保持在300 Pa 打开高频电源加热料棒至设定温度,保温5 min后打开脉冲电流开关,使凝固过程中脉冲电流持续通过熔化的TiAl合金料棒,启动抽拉系统 抽拉至预设长度时,关闭高频电源加热系统和脉冲电流电源

图1



图1在连续凝固过程中加载脉冲电流的示意图

Fig.1Schematic diagram of loading pulse current in continuous solidification process

将从定向凝固试棒上线切割的试样打磨,采用Philips X'pert X射线衍射仪(XRD)分析其物相组成,扫描角度为0°~120° 将金相试样打磨、抛光和化学腐蚀后,用TG-3金相显微镜(OM)和S-4700扫描电子显微镜(SEM)观察其微观组织,腐蚀剂的组成为10% HNO3+10% HF+80% H2O；用Instron 5569万能材料试验机测试试样的室温拉伸性能

2 实验结果2.1 脉冲电流对定向凝固温度场的影响

从图1可以看出,在实验过程中试棒接触陶瓷管引起侧向散热 图2给出了脉冲电流作用下试棒的温度场分布 可以看出,温度最高处都分布在感应线圈缠绕处的中间部分,施加脉冲方波电流,频率为200 Hz,占空比为0.5,电流密度为0 mA/mm2、17.6 mA/mm2、35.3 mA/mm2和52.9 mA/mm2时,对应最高温度为1711.4℃、1730.1℃、1753.1℃和1774.3℃,脉冲电流作用下最高温度与不加电流最大相差63℃ 图3给出了试棒的径向温度分布,具体数值列于表1 可以看出,在不同脉冲电流作用下试棒表层的温度与径向温度最高点之间的温度不同 脉冲电流密度为0 mA/mm2时,熔体最外层与径向温度最高处的温度差为46.5℃ 随着电流密度增加到17.6 mA/mm2、35.3 mA/mm2和52.9 mA/mm2时,其温度差分别为31.4℃、25.3℃和17.9℃ 随着电流密度的增大熔体最外层与径向温度最高处的温度差逐渐减小,即径向温度差减小,侧向温度梯度减小,侧向散热减小

图2



图2在不同脉冲电流作用下TiAl基合金凝固过程中温度场的分布

Fig.2Temperature field distribution of TiAl based alloy during solidification under different pulse current (a) 0 mA/mm2; (b) 17.6 mA/mm2; (c) 35.3 mA/mm2; (d) 52.9 mA/mm2

Table 1

表1

表1在不同脉冲电流作用下熔体的径向温度差

Table 1Radial temperature difference of melt under different pulse current

Current density /mA·mm-2	Radial temperature difference of melt/℃
0	46.5
17.6	31.4
35.3	25.3
52.9	17.9

图3



图3在不同脉冲电流作用下TiAl基合金的径向温度分布

Fig.3Radial temperature distribution of TiAl based alloy under different pulse current

2.2 脉冲电流作用下TiAl基合金的宏观凝固组织

图4给出了在不同脉冲电流作用下Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金试样的宏观组织 可以看出,在脉冲电流作用下的定向凝固过程分为三个区域：初始凝固区、稳定生长区和最终凝固区 初始凝固区可分为两部分：下部分为未熔化区,具有初始的等轴晶组织；上部分为熔化竞争区,偏离角较小,具有粗大的柱状晶组织；进入稳定生长区后,侧向散热使晶粒生长发生了一定的偏离；最后为最终凝固区,下拉至预设长度后缓慢降低加热功率并关闭电源,以侧向为主的散热使柱状晶向侧向生长并最终凝固

图4



图4在不同脉冲电流作用下Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金试样的宏观凝固组织

Fig.4Longitudinal section macrostructures of 45.5Al-4Cr-2.5Nb alloy with different pulse current (a) 0 mA/mm2; (b) 17.6 mA/mm2; (c) 35.3 mA/mm2; (d) 52.9 mA/mm2

图4a给出了电流密度为0 mA/ mm2的定向凝固试样 可以看出,试样总体上具有定向凝固组织特征,但是出现了很多细小的晶粒 由于侧向散热较为严重,晶体生长偏离角度较大 施加频率为200 Hz、电流密度为17.6 mA/mm2的脉冲电流后稳定生长区晶粒生长偏离角度明显下降(图4b),且随着脉冲电流密度的增大(图4c),晶粒生长偏离角度减小,柱状晶生长的稳定性和连续性提高 当电流密度增大到52.9 mA/mm2时,在过渡区域生成的晶粒数目增多且较为细小,进入稳定生长区后生成具有定向趋势的定向凝固组织,晶粒生长偏离角进一步减小 即随着电流密度的增大和作用时间的延长,焦耳热效应与集肤效应越明显,使试棒表层温度提高侧向散热减少,从而使柱状晶的偏离角减小 图5给出了不同脉冲电流作用下晶粒平均偏离角所示,具体数值列于表2 脉冲电流频率保持200 Hz,晶粒平均偏离角由电流密度为0 mA/mm2时的30.2°减小到电流密度为52.9 mA/mm2时的17°,与上述模拟结果一致 即随着电流密度的增大径向温度差减小、侧向温度梯度减小和侧向散热减小,使枝晶偏离角减小

图5



图5在不同脉冲电流作用下试样晶粒的平均偏离角

Fig.5Average deviation angle of grains with different pulse current

Table 2

表2

表2在不同脉冲电流作用下试样晶粒的平均偏离角

Table 2Average deviation angle of grains with different pulse current

Current density/mA·mm-2	Average deviation angle of grains / (°)
0	30.2
17.6	21.5
35.3	18.6
52.9	17.0

2.3 在脉冲电流作用下定向凝固TiAl基合金的相组成

图6给出了脉冲电流密度不同的定向凝固Ti-Al基合金的金相照片 从图6a、b、c、d可以看出,TiAl合金试样的金相组织都是由带状组织和带状组织间的片层结构组成的

图6



图6在不同脉冲电流作用下定向凝固TiAl合金的OM像

Fig.6OM images of directional solidified TiAl with different pulse current (a) 0 mA/mm2; (b) 17.6 mA/mm2; (c) 35.3 mA/mm2; (d) 52.9 mA/mm2

为了研究脉冲电流对Ti-Al基合金的影响,图7给出了脉冲电流密度不同的定向凝固试样的XRD谱 可以看出,与不加脉冲电流相比,脉冲电流密度不同的定向凝固Ti-Al基合金主要由γ-TiAl相、B2相及α2-Ti3Al相组成 衍射谱中的衍射峰及其强度表明,Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金中γ-TiAl相的含量较高

图7



图7在不同脉冲电流密度下定向凝固TiAl合金的XRD谱

Fig.7XRD spectra of directional solidification region of TiAl alloys at different current intensities

2.4 脉冲电流对晶粒尺寸的影响

为了考察脉冲电流对晶粒尺寸的影响,切取脉冲密度不同的试样稳定生长区的横截面,其晶粒平均径向尺寸的统计结果列于表3

Table 3

表3

表3在不同脉冲电流作用下试样晶粒的平均径向尺寸

Table 3Average grain width of samples with different pulse current

Current density/mA·mm-2	Average grain width/μm
0	850.67
17.6	728.16
35.3	685.93
52.9	776.32

可以看出,随着脉冲电流密度的增大晶粒的平均径向尺寸逐渐减小,电流密度为35.3 mA/mm2的晶粒其平均径向尺寸最小为685.93 μm,脉冲电流密度提高到52.9 mA/mm2的晶粒其平均径向尺寸反而增大到776.32 μm 其原因是,脉冲电流降低了形核功和糊状区的温度梯度 脉冲电流引起的形核功为 [33]

ΔW=4J2r2-d2A2r4δV

(1)

式中ΔW为电流所引起的形核功变化,J为电流密度,r为熔体半径,d为洛伦兹力到晶核中心距离,A为常数, δ为与形核相关常数,V为晶核体积大小 可以看出,因为ΔW小于0,脉冲电流使形核功降低,不但细化了晶粒电流产生焦耳热效应和洛伦兹力还使枝晶重熔或断裂而提高了形核率,使晶粒细化 但是,电流密度过大间接影响糊状区的温度梯度 糊状区的温度梯度可表示为

G=ΔT/Δd

(2)

式中G为温度梯度,ΔT为轴向温度增量,Δd为轴向距离增量 脉冲电流的焦耳热效应和洛伦兹力使定向凝固过程中的柱状晶枝晶发生重熔、断裂和晶粒游离,使柱状晶的晶粒细化 但是,随着电流密度的增大熔池长度变长,使糊状区的长度增大,即式中的Δd增大使温度梯度G减小 因此,电流密度增大至一定数值使温度梯度的减小,从而使晶粒的平均径向尺寸增大

2.5 脉冲电流对片层取向的影响

控制定向凝固TiAl合金片层的取向,是提高其力学性能的途径之一,片层取向与轴向夹角越小其综合力学性能越高[34] 图8给出了脉冲电流不同的TiAl基合金片层的取向OM照片 根据TiAl合金的相图,由于所选合金为亚包晶TiAl合金,凝固的初生相为β相,其择优取向为<001>,β与α为<110>β// 0001α关系,而<110>β与<001>为0°或45°关系,即α相 0001与<001>β轴向为0°或45°[35] 实验中实验条件和实验误差,使片层的取向与理论值不完全相符

图8



图8在不同脉冲电流作用下TiAl基合金是片层取向

Fig.8Effect of different pulse current on lamellar orientation of TiAl based alloy (a) 0 mA/mm2; (b) 17.6 mA/mm2; (c) 35.3 mA/mm2; (d) 52.9 mA/mm2

图9给出了脉冲电流不同的TiAl基片层取向小于45°的占比统计 可以看出,随着脉冲电流密度的增大0°~45°片层所占区域的比例比较接近,为75%~83% 这些结果表明,脉冲电流对片层取向的影响较小,电流密度对各片层取向所占比例影响不大,片层取向主要取决于凝固参数,即下拉速度[35]

图9



图9在不同脉冲电流作用下TiAl基合金的片层角度小于45°的片层区域占比

Fig.9Proportion of lamellar area with lamellar angle less than 45° with different pulse current

2.6 脉冲电流对微观组织的影响

为了进一步分析脉冲电流对TiAl基合金微观组织的影响,图10给出了脉冲电流密度不同的定向凝固TiAl合金的SEM照片 可以看出,微观组织与其宏观组织都由带状组织和其间的片层组织构成,带状组织内有明显的黑色和灰白色两相 为了分辨两相的具体成分,对各试样的两相进行了能谱分析,其结果列于表4

图10



图10在不同脉冲电流作用下定向凝固TiAl合金的SEM照片

Fig.10SEM images of directionally solidified TiAl at current intensities (a) 0 mA/mm2; (b) 17.6 mA/mm2; (c) 35.3 mA/mm2; (d) 52.9 mA/mm2

Table 4

表4

表4在不同脉冲电流作用下TiAl基合金的能谱分析结果

Table 4EDS analysis of TiAl based alloy with different pulse current

Sample	Analysis location	Ti	Al	Cr	Nb
0 mA/mm2	1	45.87	48.88	2.58	2.67
	2	51.80	35.07	10.2	2.93
17.6 mA/mm2	1	48.37	46.16	2.71	2.76
	2	49.69	37.16	10.27	2.88
35.3 mA/mm2	1	47.49	46.74	2.82	2.95
	2	51.54	35.85	9.51	3.10
52.9 mA/mm2	1	46.21	47.71	2.92	3.16
	2	52.26	35.25	9.47	3.02

EDS统计结果表明,带状组织中黑色相Al元素的含量高,而灰白色相Al元素含量较低,Cr元素含量高 综合XRD衍射图谱和原材料的二元TiAl合金当量成分,虽然在XRD衍射谱中有α2相的衍射峰,但是在EDS中很难分辨 其原因是,α2相含量较低或其分布介于γ与B2相间,衍射峰不明显而难以分辨 带状组织中的黑色组织为富Al 的γ-TiAl相,灰白色组织为B2相 EDS结果表明,带状的黑色相Al含量较高,为γ-TiAl相 根据TiAl合金相图及其凝固的特点可以推断,长条状组织之间主要是B2相与γ相相互交叠的片层组织

多数TiAl基合金的片层都为γ/α2片层,但是Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb却是γ/B2片层,是此成分TiAl合金的凝固路径与固态相变过程造成的 即Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb为富Cr相TiAl合金,由Ti-Al-Cr合金相图[36] 由此可以推断,其平衡凝固过程为L→β+L→β→α+β→α→α+γ→α+γ+B2→α2+γ+B2,即随着熔体温度的降低首在液相中析出初生β相,随后剩余液相转变为单相β,随着温度的进一步降低β相析出α相,随着温度的继续降低γ相从α相中析出 γ相Al的含量较高和Cr含量较低,使其周围的Al含量低、Cr含量高,恰恰对应EDS结果B2相的特征 随着γ相的析出和长大,Al含量的降低Cr含量的提高还促进α相直接转变为B2相,最终形成了γ相与B2相的片层组织

2.7 脉冲电流作用下TiAl基合金的力学性能的影响

材料的强度与其组织密切相关,材料的晶粒尺寸越小其强度越高[37] 图11给出了脉冲电流不同的TiAl基合金的拉伸曲线,具体性能列于表5 可以看出,随着脉冲电流密度的增大TiAl基合金的抗拉强度先提高后降低,延伸率提高

图11



图11在不同脉冲电流作用下TiAl基合金的室温拉伸曲线

Fig.11Tensile curves of TiAl based alloy with different pulse current

Table 5

表5

表5在不同脉冲电流作用下TiAl基合金的拉伸性能

Table 5Ttensile properties of TiAl based alloy under different pulse current

Sample	Tensile strength/MPa	Elongation/%
Master alloy	260.6	0.122
0 mA/mm2	264.3	0.153
17.6 mA/mm2	304.7	0.186
35.3 mA/mm2	404.1	0.217
52.9 mA/mm2	322.7	0.289

这种定向凝固合金的抗拉强度,主要受晶粒平均径向尺寸、晶粒尺寸以及片层宽度的影响 随着电流密度的增大晶粒平均径向尺寸先减小,当电流密度增大至52.9 mA/mm2时晶粒平均径向尺寸受电流热效应和集肤效应的影响,温度梯度降低使晶粒的平均径向尺寸增大,因此其抗拉强度小幅降低 延伸率主要受片层取向与轴向夹角的影响,夹角越小其综合力学性能越好,随着电流密度的增大其夹角逐渐减小,延伸率提高,即受力方向与片层取向的夹角越小其延伸率越高

3 结论

(1) 施加脉冲电流进行连续凝固制备定向凝固Ti-45.5Al-4Cr-2.5Nb合金并进行模拟仿真,脉冲电流使凝固和相变路径改变,凝固组织主要有带状组织中黑色富Al的γ-TiAl相,灰白色B2相以及其间的γ/B2片层组织

(2) 脉冲电流的焦耳热效应和电磁搅拌使枝晶重熔或破碎而提高形核率,减小了枝晶的平均宽度,增至一定值的脉冲电流密度引起熔池长度增大和温度梯度减小,使晶粒的平均径向尺寸增大；脉冲电流的集肤效应使熔体的表层电流偏聚,焦耳热效应使侧向散热减小,从而使枝晶的平均偏离角减小

(3) 脉冲电流的频率不变时细小的晶粒、密集的片层区域有利于提高试样的抗拉强度,因此随着脉冲电流密度的增大晶粒平均尺寸先减小后增大,合金试样抗拉强度先提高后降低

(4) 施加脉冲电流制备的定向凝固TiAl基合金其延伸率主要受片层取向与轴向夹角的影响,夹角越小其综合力学性能越高

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