● 摘要
－TiAl系金属间化合物由于具有密度低、强度高、高温力学性能和抗氧化性优异等特点，是一种理想的高温结构材料。钢铁研究总院研制的名义成分为Ti-46.5Al-2.5V-1Cr(at.%)（TAC2）的－TiAl合金目前正在开展应用研究的是铸造TiAl合金增压器涡轮，其叶片内为择优取向的层片组织。这种择优取向层片组织具有明显的力学性能各向异性，在平行于层片界面方向的张应力作用下表现出优异的抗拉强度和较好的塑性，有利于叶片工作的可靠性。铸造工艺参数及合金元素对这种组织及其性能的影响尚缺乏研究。本文选题为铸造TAC2合金组织及性能稳定性的研究。通过设定不同的铸造工艺参数（型壳预热温度、熔炼真空度和熔炼功率）制备TAC2合金试样，以及在相同铸造工艺参数下改变TAC2合金中Al、V元素含量制备试样，研究了工艺参数和合金元素含量的波动对铸造TAC2合金组织及性能的影响。首先，通过组织观察，验证了在板状试样中可以得到与涡轮叶片相近的组织，其宏观组织为整齐对长的柱状晶、微观组织为自生成择优取向全层片组织。对铸态合金进行热等静压处理和真空退火处理，发现铸态合金经热等静压处理后可消除铸造缺陷对力学性能的影响，进一步进行真空退火处理后基本上消除了成分偏析，因此可以更真实地反应这种自生成择优取向全层片组织的性能特点。在平行于层片界面方向的载荷作用下，合金的抗拉强度达到535MPa，屈服强度465MPa，室温塑性达1.5％左右。室温缺口敏感性系数小于1，即该组织对给定缺口不敏感。通过组织观察和力学性能试验，分析研究了工艺参数（型壳预热温度、熔炼真空度和熔炼功率）对铸造TAC2合金组织及性能的影响。发现，较低的型壳预热温度有利于铸造TiAl合金板状试样中柱状晶的形成，进而有利于生成排列整齐、取向一致的层片组织，得到了较好的拉伸塑性和较高的强度；不同熔炼真空度下浇注的铸造TAC2合金组织相差较小，但是熔炼真空度越低，溶解在合金中的氧含量越高，因此合金表现出较高的屈服强度和较差的塑性；熔炼功率越低，对应的熔体温度越低，与合金熔点的温差就越小，即过冷度越大，因此更有利于等轴晶粒的形成，影响了合金择优取向层片组织的力学性能。本文的研究得出，铸造TAC2合金在浇注过程中应选取的工艺参数值为：较低的型壳预热温度，约为200～400℃；熔炼真空度高于2.5Pa；熔炼功率为120Kw或稍高。本文在TAC2合金名义成分的基础上，选取了46.1％～48.7％的铝含量、1.5％～2.5％的V含量熔炼制备一批TiAl合金进行组织观察和力学性能试验。研究发现，随着Al含量的增加，合金的强度先增加后减小，在Al含量为47.5％时达到最大值。这是因为，Al含量较低的TA2和TA3合金柱状晶特征不明显，全层片没有一致的择优取向，因此表现出较差的强度；TA1、TA4和TA5合金均为择优取向全层片组织，但TA1和TA2合金中层片排列更整齐，表现出最高的强度；TA6和TA7合金虽然层片组织排列整齐，但是在层片团内及层片团间出现的等轴晶粒，导致其强度的降低。另外，V含量在1.5％到2.5％变化时铸造TAC2合金的组织及性能无明显变化。