B元素對(duì)TA15合金鑄態(tài)組織的改性與機(jī)理研究

TA15合金是一種高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，具有較高的強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性和可焊性，被廣泛應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的各種葉片、機(jī)匣，飛機(jī)的梁、接頭、大型壁板等關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件。近年來，新型發(fā)動(dòng)機(jī)某些鈦合金鑄件開始采用TA15合金。鈦合金鑄造過程在真空環(huán)境下進(jìn)行，冷卻速度緩慢，且鈦合金導(dǎo)熱性能差，使得鑄件晶粒粗大，而鑄件粗大的組織無法通過熱變形進(jìn)行細(xì)化，嚴(yán)重惡化鈦合金鑄件的性能。TA15鈦合金作為一種近α型合金，主要依賴于α穩(wěn)定元素Al對(duì)合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化，不能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。因此，采用TA15合金澆注的鑄件改善力學(xué)性能的WY方法即是細(xì)化晶粒。
　　鑄造過程中采用添加晶粒細(xì)化劑細(xì)化晶粒的方法應(yīng)用較為廣泛，該方法早已在鋁合金、鐵合金及鎂合金等材料的鑄造過程得到廣泛應(yīng)用。晶粒細(xì)化劑在鈦合金中的作用近年來成為研究熱點(diǎn)，尤其是B元素對(duì)鈦合金組織、性能的影響研究內(nèi)容很豐富。但是，目前關(guān)于B元素對(duì)合金組織及性能的影響研究主要集中在低合金化的TiAl和TC4中，且主要研究合金的常溫力學(xué)性能，關(guān)于B元素對(duì)TA15這類主要用于高溫耐熱鑄件合金微觀組織及高溫性能的影響還未見報(bào)道。鑒于此，研究人員通過在TA15鑄錠中添加B元素，探索外加異質(zhì)形核劑B對(duì)TA15鈦合金鑄造組織的改性效果與機(jī)理，期望對(duì)鈦合金鑄件的工藝開發(fā)提供指導(dǎo)。
　　所用材料為經(jīng)過兩次真空自耗電弧熔煉得到的TA15鈦合金鑄錠，鑄錠尺寸為Φ140mm×200mm。鑄錠化學(xué)成分除B元素按試驗(yàn)所需進(jìn)行添加，并報(bào)實(shí)測(cè)外，主元素與雜質(zhì)元素含量均符合GB/T3620.1-2007中TA15牌號(hào)的要求。
　　TA15合金電極制備所用原材料有：海綿鈦、鉬鋁合金、釩鋁合金、海綿鋯、鋁豆。B元素是以二硼化鈦（TiB2）的形式加入自耗電極中。共制備TA15鑄錠4個(gè)，B含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）分別為0、0.1、0.15、0.2。
　　鑄錠扒皮至無表面缺陷后，在鑄錠縱向1/3、2/3位置處獲取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析。將鑄錠沿縱向解剖觀察縱向組織特征。試樣經(jīng)處理，通過顯微鏡觀察合金顯微組織。試驗(yàn)結(jié)果表明：
　?。?）TA15合金中加入微量硼可細(xì)化鑄造組織，有效防止晶粒長大，而且可降低片層組織的片層厚度，提高片層組織穩(wěn)定性，從而改善合金的性能。隨著B元素含量的增加，細(xì)化程度提高。
　?。?）B作為間隙元素在β相中的溶解度很低，且在凝固過程中形成TiB化合物，因此B元素可能通過成分過冷，提高非均勻形核速率以達(dá)到細(xì)化晶粒目的。同時(shí)，TiB化合物對(duì)晶界產(chǎn)生釘扎，抑制晶粒的進(jìn)一步長大，進(jìn)而細(xì)化組織晶粒。