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 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(lái)，新型發(fā)動(dòng)機(jī)某些鈦合金鑄件開(kāi)始采用TA15合金。鈦合金鑄造過(guò)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(wú)法通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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?jī)?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(jiàn)報(bào)道。鑒于此，研究人員通過(guò)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(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。
　　所用材料為經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò)顯微鏡觀察合金顯微組織。試驗(yàn)結(jié)果表明：
　　（1）TA15合金中加入微量硼可細(xì)化鑄造組織，有效防止晶粒長(zhǎng)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(niǎo)元素含量的增加，細(xì)化程度提高。
　　（2）B作為間隙元素在β相中的溶解度很低，且在凝固過(guò)程中形成TiB化合物，因此B元素可能通過(guò)成分過(guò)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(zhǎng)大，進(jìn)而細(xì)化組織晶粒。