高纯制备ial合金的冷却速度计算

高纯制备ial合金的冷却速度计算

1快速凝固材料的研制自1960年贵威科学家发明了快速硬化方法以来，高速硬化技术在当时得到了很大的发展。由于钛及钛合金特殊的化学活性,该项技术被引入到钛这一领域仅有20多年的时间,但已取得了令人瞩目的成绩。快速凝固方法用于制备TiAl基合金有两个目的。其一,改善TiAl基合金室温塑性;其二,通过添加第三组元(如稀土元素)获得纳米级弥散强化相并使这种亚稳相固结成型后保存下来,从而提高材料的高温性能。冷却速度是快速凝固重要工艺参数之一,也是认识一种快速凝固方法的开始。对于某种特定的合金材料,冷却速度与二次枝晶间距有较好的对应关系,这种关系并不因材料外观形貌(薄带或颗粒等)或快冷方法的改变而改变(1)。但快速凝固材料的晶粒非常细小,当冷却速度大于104K/s时分辨二次枝晶十分困难,这种方法并不实用。作者选择PREP和HAP两种快速凝固方法对其冷却速度进行研究并提出了简便适用的快速凝固冷速的估算方法。之所以选择这两种快速凝固方法,是因为PREP法已形成商品化生产,而HAP法则因其可以获得的高冷速而具有较高的理论研究价值。2两种快速固结工艺的介绍2.1等离子旋转电极法本实验选用Ti48Al(原子百分比)作为试验材料,利用感应凝壳熔炼法(ISM)获得高均匀度的母合金材料。等离子旋转电极法制粉的工艺过程为:利用电火花切割机从母合金锭上切下ue001φ30mm的合金棒,并将一端车螺纹与电机的心轴相连。合金棒在电机的带动下高速旋转。在距合金棒端部40mm～50mm处有一等离子炬热源,熔化的合金液膜在离心力的作用下立即被高速抛出。液滴与环境气体摩擦,在切应力的作用下进一步破碎,并快速凝固形成粉末。等离子旋转电极法的工作原理如图1所示。本试验旋转电极的转速为12000r/min。另外有一个附加的送料机构将材料连续送入。旋转电极法的雾化过程是在高纯氩气(0.01～0.02)MPa的保护气氛中进行。等离子旋转电极雾化法获得的粉末球形度好、尺寸均匀、材料无污染。图2为PREP法获得的粉末的表面形貌SEM照片和金相照片。2.2表面污染层的制备锤砧法是一种获得超高冷却速度的快速凝固方法。锤砧法的实验装置如图3所示。锤砧法制薄片的工艺过程为:从母合金切下2mm×2mm×2mm大小的块状物,用砂纸打磨去除表面污染层。把块状物置于砧面上,砧面上开设了1.5mm～2mm的凹坑以防止电弧力将球形熔体吹走,熔化的合金则靠表面张力形成近似球形的熔体停留在砧面的凹坑处。设备抽真空至6.67×10-3Pa,然后充高纯氩气(0.04～0.05)MPa。待块状合金被钨电极熔化后,使锤头在8MPa压力氮气的驱动下快速下落并打击铜砧,合金块在锤头与水冷砧的作用下块速凝固,制成直径25mm,厚度为30μm～50μm的快速凝固样品。3冷却速度的计算3.1冷却速度与c、s计算关系PREP法制备的TiAl合金粉末粒度分布在120μm～600μm范围内。表1列出了合金以及氩气的某些物理性能参数。借助于金相显微镜,观察分析粉末粒子的晶粒尺寸(d),并测定粉末颗粒大小(D)。熔滴在氩气的冷却过程中,假定熔滴粒子内温度分布是均匀的,则冷速(vc)和粒度(D)有下列函数关系:vc=6h(Τ-ΤAρ1DC1)(1)vc=6h(T−TAρ1DC1)(1)式中:D—粒度(cm);T—粒子温度(K);TA—环境温度(K);ρ1—合金密度(g/cm3);C1—合金比热容(J/g·K)。传热系数h可由下式求得:h=2ΚD+0.6[Κ4ρ32C22y]1/6(vD)(2)h=2KD+0.6[K4ρ32C22y]1/6(vD)(2)式中:K—Ar气导热系数(J/cm·s·K);ρ2—Ar气密度(g/cm3);C2—Ar气比热容(J/g·K);y—Ar粘度(g/cm·s);v—旋转电极边缘线速度(m/s)。在本实验条件下,环境温度TA=300K,旋转电极线速度v=17.2m/s,将合金和Ar气有关物性参数代入(2)式中可求出h值,再将h值代入(1)式中可得到合金粉末粒度与冷却速度的关系式:vc=A1D2+B(1D)3/2(3)vc=A1D2+B(1D)3/2(3)不同粉末粒度的原始晶粒大小与冷速(vc),经直线回归处理后,可得下列关系式:d=Κ1vc-n1(4)d=K1vc−n1(4)式中:d—粉末原始晶粒度(μm);vc—冷却速度(K/s);k1,n1—与合金和冷却介质有关的系数。根据测出的粉末颗粒尺寸,原始晶粒度(d)与冷速(vc)经回归处理后,得到k1与n1的值:k1=723.6,n1=0.311。把k1,n1代入(4)得:d=723.6vc-0.311(5)d=723.6vc−0.311(5)PREP法冷却过程中,液滴和气体介质间的热传递主要以对流为主,辐射传热可忽略不计。将Ar气的有关物性参数(表1)代入公式(2)后可得下列散热系数与粉末粒度关系:h=7.1×10-41D+1.124×10-3(1D)3/2(6)h=7.1×10−41D+1.124×10−3(1D)3/2(6)从该式中可看出,当散热条件一定时,液滴大小决定了热量散失速率和温度降低速率,液滴越大冷速越低。将(6)代入(1)可得冷速与粉末粒度关系式:vc=1.251D2+1.98(1D)3/2(7)vc=1.251D2+1.98(1D)3/2(7)由上式可估算各种粉末粒度所对应的冷却速度(vc),其结果列于表2。图4为粉末颗粒尺寸-冷却速度曲线。从表2中可看到,PREP工艺制备的合金粉末vc值约在4.6×102K/s～6.7×103K/s范围内。晶粒尺寸约为40μm～100μm。这与图2显微组织显示的晶粒尺寸一致。3.2降低热阻的物理模型由于TiAl基合金热传导物性参数的缺乏,作者试图寻找一种基于简化物理模型的冷速估算方法,为此选择了通过计算锤的运动速度来计算冷速的方法。熔融金属液滴的形状为球形,并且考虑到与铜砧的润湿性,实验中熔体高度约为2×10-3m。假设气缸在运动过程中的摩擦力与重力相平衡,因此铜锤的运动仅依靠氮气驱动(8×105MPa),气缸从静止开始加速运动。经过测量,运动体运动行程约为0.18m,气缸的受力面积约为1.257×10-3m2,整个铜锤及气动活塞的质量为500g。熔体的温度一般为1770K左右,熔体冷却后的温度为室温300K。由于在物理模型的计算过程中仅考虑制备材料的熔体温度,因此假设在打击过程中界面以及铜锤、铜砧的热阻忽略不计。vc可由下式求出:vc=h/Δt(8)式中:h—熔体的高度(m);Δt—锤头打击到熔体至快淬结束所用的时间。忽略锤头打击过程中熔体所产生的阻力并将Δt求出代入(8)式得到:vc=√2ΡSLm(Τ-ΤAh)(9)式中:T—熔体的温度(K);TA—熔体冷却后的温度(K);m—铜锤及气动活塞的质量(g);p—驱动气缸活塞的压力(N/m2);S—气缸的受力面积(m2);L—铜锤运动的距离(m)。可估算出锤砧法制备TiAl合金薄片的冷却速度为6.38×105K/s。4冷却速度的计算采用两种快速凝固方法制造了TiAl合金粉末和薄片材料。其中等离子旋转电极法制备的粉末材料具有较好