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摘 要

TiAl基合金因其质轻，具有优异的抗氧化性和阻燃性，在航空航天领域有望替代Ni基高温合金服役于航空发动机。虽然TiAl基合金相对于其他高温结构材料有许多突出的性能优势，但是能够完全满足工程应用的合金成分目前还是比较少的。主要是由于其低的室温塑性以及断裂韧性差等因素阻碍了发展。

本文通过对凝固路径为β凝固且避免了包晶反应的不同组织的Ti-44Al-1.7Cr-1.9Nb-0.45B-0.1W合金的铸态显微组织分析发现，在铸态组织中引起合金凝固裂纹产生的主要因素是片层团晶界处的B2相。B2相的存在会改变局部微观应力状态。B2相和γ相阶段之间的不均匀变形导致应变不连续，最终在B2 /γ相边界处促进微裂纹成核。随后制定了1260℃-0.5h/AC的热处理制度进行了全片层组织的调控。并对热处理后的全片层组织进行了室温拉伸断面二次微裂纹的分析。发现在全片层组织的拉伸过程中，二次拉伸微裂纹的产生同样是在片层团晶界处产生的，随后沿着片层团中的TiAl相进行扩展。并在片层团组织中的TiAl相同样发现了二次微裂纹，其产生机理是由片层团中硬脆的Ti₃Al相引起的。因此，通过热处理消除片层团晶界处大量的B2相,并严格控制片层团组织中的Ti₃Al相的含量能够有效改善TiAl基合金的综合力学性能。

关键词：TiAl基合金 室温拉伸 二次微裂纹 形核与扩展 力学性能

Study on Nucleation and Propagation of Secondary Microcracks in TiAl-based Alloy under Tension at Room Temperature

Abstract

TiAl-based alloy is expected to replace Ni-based superalloy in aero-engine service because of its light weight, excellent oxidation resistance and flame retardancy. Although TiAl-based alloys have many outstanding performance advantages over other high-temperature structural materials, there are few alloys that can fully meet the needs of engineering applications. It is mainly due to its low room temperature plasticity and poor fracture toughness. In this paper, through the analysis of the as-cast microstructure of Ti-44Al-1.7Cr-1.9Nb-0.45B-0.1W alloy with different structures with β solidification path and avoiding peritectic reaction, it is found that the main factor causing solidification cracks in the as-cast structure is the B2 phase at the lamellar grain boundary. The existence of B2 phase will change the local microscopic stress state. The non-uniform deformation between B2 and γ stages leads to strain discontinuity, which finally promotes the nucleation of microcracks at the B2 / γ boundary. Then the heat treatment system of 1260 ℃-0.5h/AC was established to regulate the lamellar structure. The secondary microcracks in the tensile section at room temperature were analyzed for the whole lamellar structure after heat treatment. It is found that during the tensile process of the full lamellar structure, the secondary tensile microcracks are also produced at the lamellar grain boundaries, and then propagate along the TiAl phase in the lamellar clusters. Secondary microcracks are also found in the TiAl phase in the lamellar structure, which is caused by the hard and brittle Ti3Al phase in the lamellar mass. Therefore, the comprehensive mechanical properties of TiAl-based alloy can be effectively improved by eliminating a large number of B2 phase at the lamellar grain boundary by heat treatment and strictly controlling the content of Ti3Al phase in the lamellar structure.

Key words：TiAl based alloy; Room temperature stretching; Secondary microcrack; Nucleation and expansion; Mechanical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 TiAl合金介绍 1

1.2 TiAl合金的相组成与组织组成 2

1.3 TiAl合金的凝固 4

1.4 合金化元素对TiAl基合金的影响 4

1.5 TiAl基合金的发展及应用 6

1.5.1 TiAl基合金的研究进展 6

1.5.2 TiAl基合金的应用 7

1.6 TiAl基合金断裂韧性的研究 7

1.7 研究目的，意义，内容 8

第二章 实验材料及实验方法 10

2.1 实验方案设计 10

2.2 材料制备及实验过程 10

2.2.1 实验材料 10

2.2.2 合金熔炼 10

2.2.3 试样热处理 12

2.3 显微组织观察及分析 12

2.3.1 金相（OM）组织观察 12

2.3.2 XRD射线衍射分析 13

2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）观察 13

2.4 拉伸性能测试 13

第三章 TiAl基合金的裂纹分析 15

3.1 TiAl基合金凝固裂纹的研究 15

3.2 TiAl基合金拉伸微裂纹的研究 16

3.3 TiAl基合金拉伸断口分析 18

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1 TiAl合金介绍

由于当代航空航天技术和汽车工业的发展，要求在航空航天和汽车工业上所用的高温结构材料的性能越来越好，高强度，高比刚，高耐热以及质轻是当前高温结构件新材料发展的必然方向，也是广大研究者共同努力的方向。TiAl基合金密度低，相较于Ni基高温合金，在保证不相上下的高温性能的同时，密度减小了一半；弹性模量（室温）可以达到160~180GPa，而且可以在750C条件下保持150GPa^[1.2]；同时，TiAl基合金抗氧化性能和阻燃性能优异，比强度高，抗蠕变能力好，可在高温（760~800C）条件下持续工作（见表1-1）。基于TiAl基合金密度低，耐高温等优秀的综合性能^[2]，可替代其他高温合金应用于航空航天发动机等高温条件下，达到减重的效果。当前已经有多种TiAl基合金部件处在研究或应用阶段，例如航空航天发动机喷口区域的零件，高速飞行器推进器零件，汽车发动机阀门，绝热贴面材料，工具镀膜靶材等。但是，TiAl基合金室温塑性差，加工成型能力弱，高温强度低，以及抗氧化性能在800C以上的条件下比较差的缺点限制了其工程应用^[4.5]。为了在一个更宽的温度范围内与超合金竞争，TiAl基合金必须朝着提升室温塑性，断裂韧性，高温抗蠕变性能以及高温抗氧化性能的方向发展。因此需要对TiAl基合金展开进一步的研发。

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