Mater. Sci. Eng., A: Y2O3顆粒對定向凝固TiAl基合金斷裂韌性的影響

【引言】

TiAl基合金由于有著高比強度、低密度，優異的高溫強度和良好的抗氧化性能 ，因而成為了航空發動機渦輪葉片的理想材料。Y₂O₃常用作熔融和鑄造TiAl基 合金的模具材料。然而不可避免的是，在澆注過程中會混入Y₂O₃顆粒。陶瓷相顆粒對于定向凝固（DS）合金的力學性能有著顯著的影響，尤其是其斷裂韌性 。近日，有學者對TiAl基合金的斷裂韌性進行了研究，結果表明Y₂O₃顆粒的存在顯著降低了其斷裂韌性。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學Zhang Hailong（未找到中文名）在Mater. Sci. Eng., A上發布了一篇關于TiAl基合金斷裂韌性的文章，題為“Effect of Y₂O₃?particles on the fracture toughness of directionally solidified TiAl-based alloys”。作者通過定向凝固和適當的熱處理技術制備含有各種體積分數的Y₂O₃顆粒和類似層狀結構的DS樣品，分析Y₂O₃顆粒對TiAl基合金室溫（RT）斷裂韌性的作用。研究結果表明，DS合金式樣的典型微觀結構是由a2/y 片層、少量的B2相和一些Y₂O₃組成，Y₂O₃顆粒優先分布在局部區域。斷裂會沿著連接界面和陶瓷顆粒進行，留下光滑的空隙，最后的結果顯示Y₂O₃顆粒對斷裂韌性產生了有害的影響。

【致歉：很抱歉，未能找到通訊作者 Zhang Hailong的確切中文名字，小編表示誠摯的歉意！】

【圖文導讀】

圖1：生長速率為1.0mm / min的DS合金的典型結構

(a) 橫截面圖；

(b) 縱向宏觀結構；

(c) 所選區域為“Al”的微觀結構（參見圖(a)）；

(d) 片層取向與生長方向成大約45-60°角；

(e)-(h) 通過EDX、TEM和SADP圖來證明白色顆粒為Y2O3；

(i)-(j) Y₂O₃顆粒優先分布在局部區域（p枝晶之間的區域）。

圖2：生長速率對于微觀結構的影響

(a) 片層的取向，取向角主要集中在30-60°的范圍內；

(b) 不同生長速率下的片層間距；

(c) 生長速率為0.6mm/min的DS鑄錠的微觀結構；

(d) 生長速率為1.2mm/min的DS鑄錠的微觀結構；

隨著生長速率的增加，片層細化的同時Y₂O₃顆粒的體積分數也隨之減少，然而片層取向和B2相幾乎保持不變。

圖3：HT鑄錠的典型結構

(a) HT鑄錠的宏觀結構；

(b) HT鑄錠的微觀結構是由有序排列的a2/y片層、Y₂O₃顆粒和B2相組成；

(c) 所有HT式樣在加載軸方向上的片層取向分布。

圖4：定向凝固HT式樣的斷裂韌性

(a) 經定向凝固后，HT式樣的斷裂韌性得以提高；

(b) 隨著Y₂O₃顆粒體積分數的增加，斷裂韌性不斷降低。

圖5：HT式樣經彎曲實驗后的裂紋和斷裂面

(a) 裂紋以層間或跨層的方式傳播；

(b)-(c) 白色Y₂O₃顆粒從基體中析出；

(d) SE圖像表明片層結構破壞和分離之前會產生空隙；

(e)-(f) 經生長速率為0.6mm/min的定向凝固后，HT式樣的裂紋路徑。

圖6：HT式樣經彎曲實驗后的斷口形貌

(a)-(e) 經生長速率為1.2 mm/min的定向凝固后的HT式樣；

(g)-(f) 經生長速率為0.6mm/min的定向凝固后的HT式樣。

圖7：含有Y₂O₃顆粒的合金斷裂現象示意圖

(a) 裂紋跨層傳播；

(b) 裂紋層間傳播。

【小結】

這篇文章揭示了Y₂O₃顆粒對于定向凝固合金斷裂韌性的影響，通過適當的定向凝固和熱處理手段，制備出含有不同體積分數Y₂O₃顆粒的TiAl基合金。研究結果表明，Y₂O₃顆粒體積分數的增加會降低合金的斷裂韌性，裂紋沿著Y₂O₃和基體形成的界面傳播，最后析出白色的Y₂O₃顆粒。

文獻鏈接：Effect of Y₂O₃ particles on the fracture toughness of directionally solidified TiAl-based alloys（Mater. Sci. Eng., A. July 18, 2017, DOI: 10.1016/j.msea.2017.07.059）

本文由材料人編輯部金晨編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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