B元素对TA15合金铸态组织的改性与机理研究

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TA15合金是一种高Al当量的近α型钛合金，具有较高的强度、良好的热稳定性和可焊性，被广泛应用于制造发动机的各种叶片、机匣，飞机的梁、接头、大型壁板等关键的结构部件。近年来，新型发动机某些钛合金铸件开始采用TA15合金。钛合金铸造过程在真空环境下进行，冷却速度缓慢，且钛合金导热性能差，使得铸件晶粒粗大，而铸件粗大的组织无法通过热变形进行细化，严重恶化钛合金铸件的性能。TA15钛合金作为一种近α型合金，主要依赖于α稳定元素Al对合金进行固溶强化，不能通过热处理进行强化。因此，采用TA15合金浇注的铸件改善力学性能的唯一方法即是细化晶粒。
　　铸造过程中采用添加晶粒细化剂细化晶粒的方法应用较为广泛，该方法早已在铝合金、铁合金及镁合金等材料的铸造过程得到广泛应用。晶粒细化剂在钛合金中的作用近年来成为研究热点，尤其是B元素对钛合金组织、性能的影响研究内容很丰富。但是，目前关于B元素对合金组织及性能的影响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温力学性能，关于B元素对TA15这类主要用于高温耐热铸件合金微观组织及高温性能的影响还未见报道。鉴于此，研究人员通过在TA15铸锭中添加B元素，探索外加异质形核剂B对TA15钛合金铸造组织的改性效果与机理，期望对钛合金铸件的工艺开发提供指导。
　　所用材料为经过两次真空自耗电弧熔炼得到的TA15钛合金铸锭，铸锭尺寸为Φ140mm×200mm。铸锭化学成分除B元素按试验所需进行添加，并报实测外，主元素与杂质元素含量均符合GB/T3620.1-2007中TA15牌号的要求。
　　TA15合金电极制备所用原材料有：海绵钛、钼铝合金、钒铝合金、海绵锆、铝豆。B元素是以二硼化钛（TiB2）的形式加入自耗电极中。共制备TA15铸锭4个，B含量（质量分数，%）分别为0、0.1、0.15、0.2。
　　铸锭扒皮至无表面缺陷后，在铸锭纵向1/3、2/3位置处获取试样，进行化学成分分析。将铸锭沿纵向解剖观察纵向组织特征。试样经处理，通过显微镜观察合金显微组织。试验结果表明：
　　（1）TA15合金中加入微量硼可细化铸造组织，有效防止晶粒长大，而且可降低片层组织的片层厚度，提高片层组织稳定性，从而改善合金的性能。随着B元素含量的增加，细化程度提高。
　　（2）B作为间隙元素在β相中的溶解度很低，且在凝固过程中形成TiB化合物，因此B元素可能通过成分过冷，提高非均匀形核速率以达到细化晶粒目的。同时，TiB化合物对晶界产生钉扎，抑制晶粒的进一步长大，进而细化组织晶粒。