一种用于评定TiAl基合金定向生长能力的变截面试件及其制备方法

本发明属于tial基合金定向凝固，尤其涉及一种用于评定tial基合金定向生长能力的变截面试件及其制备方法。

背景技术：

1、近年来航空航天领域的快速发展对飞行器的性能提出了新的要求，提高发动机推重比和工作温度、减轻飞行器重量成为飞行器及其动力系统必然的发展趋势。为了实现航空发动机的减重和减排，采用更加轻质的高温结构材料是最为有效的方法。在现有的结构材料中，tial基合金以其高比强度、高比模量、高耐热性等优异性能成为了航空发动机的理想材料，能够用于制备在650-800℃温度范围工作的低压涡轮叶片和压气机叶片。

2、tial基合金作为一种金属间化合物，其晶体结构有序且化学键具有一定的方向性，使得室温塑性和加工性能较差，限制了其在航空发动机领域的发展和应用。对此，人们提出了定向凝固tial基合金，利用tial基合金片层团力学性能各相异性的特点，希望通过消除横向晶界、控制片层取向平行于加载方向的方法来提高tial基合金的室温塑性和机械强度。

3、在tial基合金定向凝固过程中，对凝固条件的要求极高，温度场的轻微波动都可能导致定向组织生长中断、产生杂晶，以及发生带状生长、离散生长、岛状生长等问题。为了在定向凝固过程中维持稳定的温度场，目前国内外在研究中制备的定向凝固tial基合金试件均为尺寸较小、形状较为简单的等截面试件。但tial基合金制备的涡轮叶片或压气机叶片铸件均为变截面，榫头和叶身处的截面形状和尺寸均不同，这种等截面试件的形状与tial基合金在实际应用中的需求差距较大，不能反映出铸件截面变化对合金定向凝固组织的影响。

4、而且不同成分的tial基合金在定向凝固过程中具有不同的定向生长能力，在对不同合金成分tial基合金的定向生长能力进行评定时，等截面合金试件的温度场一般不发生波动，不会对不同合金成分tial基合金的定向生长过程造成较大影响，无法用于评定tial基合金的定向生长能力。

技术实现思路

1、为解决等截面试件不能用于评定tial基合金定向生长能力的问题，本发明提供了一种用于评定tial基合金定向生长能力的变截面试件及其制备方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种用于评定tial基合金定向生长能力的变截面试件，所述变截面试件为哑铃型一体式结构，由上至下依次为顶部柱体、中间柱体和底部柱体，所述顶部柱体、中间柱体和底部柱体均为等截面圆柱体，所述底部柱体和所述顶部柱体的横截面半径相等，所述中间柱体的横截面半径小于所述底部柱体和所述顶部柱体的横截面半径，所述变截面试件由tial基合金制备而成。

4、进一步的，所述顶部柱体、中间柱体和底部柱体的高度比为35:55:30。

5、进一步的，所述中间柱体与所述底部柱体的横截面半径比为18:25。

6、进一步的，所述tial基合金为β凝固tial合金、γ-tial合金或高nb-tial合金。

7、进一步的，所述β凝固tial合金的名义成分为ti-42al-6v-1cr；所述传统γ-tial合金的名义成分为ti-48al-2cr-2nb-0.1b，所述高nb-tial合金的名义成分为ti-46al-7nb-0.6w-0.4cr-0.1b。

8、一种用于评定tial基合金定向生长能力的变截面试件的制备方法，采用复合冷坩埚定向凝固法制备tial基合金变截面试件的步骤如下：

9、步骤一、制备tial基合金母锭：

10、按tial基合金的名义成分进行配料，采用真空自耗电弧熔炼和真空感应熔炼制备tial基合金母锭；

11、步骤二、原料准备：

12、根据顶部柱体、中间柱体和底部柱体的形状尺寸从步骤一制备的tial基合金母锭上分别切取tial基合金棒料，底部柱体棒料下端切有燕尾槽，将底部柱体、中间柱体和顶部柱体棒料依次置于铸型中，并将铸型和其中的tial基合金棒料安装到冷坩埚中；

13、步骤三、抽真空：

14、复合冷坩埚定向凝固系统的炉体内抽真空并冲入高纯氩气进行洗气；

15、步骤四、定向凝固：

16、开启循环水，打开加热电源，逐渐调高加热电压，加热功率达到33kw后保温5min，开启自动控制系统，试件开始下拉，整个定向凝固过程中加热功率和抽拉速率按照预设曲线变化；

17、定向凝固结束后，试件抽拉停止，关闭电源，待试件冷却至室温后取出，得到tial基合金变截面试件。

18、进一步的，步骤二从tial基合金母锭上切取底部柱体、中间柱体和顶部柱体棒料时，使铸型和棒料之间有0.5mm宽的缝隙。

19、进一步的，步骤三复合冷坩埚定向凝固系统的炉体内抽真空至炉内气压达到5pa以下，冲入300pa的高纯氩气，重复三次进行洗气。

20、进一步的，步骤四定向凝固过程中加热功率的预设曲线为位移0mm～12mm阶段，加热功率为33kw～33.8kw线性递增；位移12mm～31mm阶段，加热功率为33.8kw～39.2kw线性递增；位移31mm～42mm阶段，加热功率为39.2kw～40kw线性递增；位移42mm～55mm阶段，加热功率为40kw恒定抽拉；位移55mm～63mm阶段，加热功率为40kw～39.4kw线性递减；位移63mm～90mm阶段，加热功率为39.4kw～35kw线性递减；位移90mm～98mm阶段，加热功率为35kw～34.6kw线性递减。

21、进一步的，步骤四定向凝固过程中抽拉速率的预设曲线为位移0mm～12mm阶段，抽拉速率为1.0mm/min～1.05mm/min线性递增；位移12mm～331mm阶段，抽拉速率为1.05mm/min～1.59mm/min线性递增；位移31mm～42mm阶段，抽拉速率为1.59mm/min～1.66mm/min线性递增；位移42mm～55mm阶段，抽拉速率为1.66mm/min恒定抽拉；位移55mm～63mm阶段，抽拉速率为1.66mm/min～1.62mm/min线性递减；位移63mm～90mm阶段，抽拉速率为1.62mm/min～1.21mm/min线性递减；位移90mm～98mm阶段，抽拉速率为1.21mm/min～1.17mm/min线性递减。

22、本发明的有益效果：

23、在定向凝固过程中，本发明提供的变截面试件内的总热功率是不断波动的，导致糊状区附近温度场波动、固液界面处温度梯度降低，从而引起柱状晶生长中断和等轴晶区的形成，造成柱状晶生长方向偏转、组织定向程度降低以及片层角度和间距增大等问题。定向生长能力较弱的tial基合金，受变截面试件内总热功率不断波动的影响，极易产生柱状晶生长中断、柱状晶向等轴晶转变(cet转变)等缺陷，而定向生长能力较强的tial基合金则不受影响，因此可对具有不同合金成分和组织结构的tial基合金的定向生长能力做出科学化的预测与评定，提前为工程应用做出预判，减少成本，降低风险。

24、结合不同的tial基合金定向凝固变截面试件的柱状晶连续生长情况、等轴晶区形成情况、柱状晶生长方向偏转程度、组织定向程度以及片层组织等定向程度的变化情况对不同成分tial基合金的定向生长能力进行评定，有利于针对不同tial基合金的定向生长能力制定精准化的定向凝固输入功率、抽拉速率等参数，改善柱状晶偏转和等轴晶析出的问题，从而优化tial基合金定向凝固变截面构件的显微组织和综合性能。