Mater. Sci. Eng., A: Y2O3颗粒对定向凝固TiAl基合金断裂韧性的影响

【引言】

TiAl基合金由于有着高比强度、低密度，优异的高温强度和良好的抗氧化性能 ，因而成为了航空发动机涡轮叶片的理想材料。Y₂O₃常用作熔融和铸造TiAl基 合金的模具材料。然而不可避免的是，在浇注过程中会混入Y₂O₃颗粒。陶瓷相颗粒对于定向凝固（DS）合金的力学性能有着显著的影响，尤其是其断裂韧性 。近日，有学者对TiAl基合金的断裂韧性进行了研究，结果表明Y₂O₃颗粒的存在显著降低了其断裂韧性。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学Zhang Hailong（未找到中文名）在Mater. Sci. Eng., A上发布了一篇关于TiAl基合金断裂韧性的文章，题为“Effect of Y₂O₃particles on the fracture toughness of directionally solidified TiAl-based alloys”。作者通过定向凝固和适当的热处理技术制备含有各种体积分数的Y₂O₃颗粒和类似层状结构的DS样品，分析Y₂O₃颗粒对TiAl基合金室温（RT）断裂韧性的作用。研究结果表明，DS合金式样的典型微观结构是由a2/y 片层、少量的B2相和一些Y₂O₃组成，Y₂O₃颗粒优先分布在局部区域。断裂会沿着连接界面和陶瓷颗粒进行，留下光滑的空隙，最后的结果显示Y₂O₃颗粒对断裂韧性产生了有害的影响。

【致歉：很抱歉，未能找到通讯作者 Zhang Hailong的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！】

【图文导读】

图1：生长速率为1.0mm / min的DS合金的典型结构

(a) 横截面图；

(b) 纵向宏观结构；

(c) 所选区域为“Al”的微观结构（参见图(a)）；

(d) 片层取向与生长方向成大约45-60°角；

(e)-(h) 通过EDX、TEM和SADP图来证明白色颗粒为Y2O3；

(i)-(j) Y₂O₃颗粒优先分布在局部区域（p枝晶之间的区域）。

图2：生长速率对于微观结构的影响

(a) 片层的取向，取向角主要集中在30-60°的范围内；

(b) 不同生长速率下的片层间距；

(c) 生长速率为0.6mm/min的DS铸锭的微观结构；

(d) 生长速率为1.2mm/min的DS铸锭的微观结构；

随着生长速率的增加，片层细化的同时Y₂O₃颗粒的体积分数也随之减少，然而片层取向和B2相几乎保持不变。

图3：HT铸锭的典型结构

(a) HT铸锭的宏观结构；

(b) HT铸锭的微观结构是由有序排列的a2/y片层、Y₂O₃颗粒和B2相组成；

(c) 所有HT式样在加载轴方向上的片层取向分布。

图4：定向凝固HT式样的断裂韧性

(a) 经定向凝固后，HT式样的断裂韧性得以提高；

(b) 随着Y₂O₃颗粒体积分数的增加，断裂韧性不断降低。

图5：HT式样经弯曲实验后的裂纹和断裂面

(a) 裂纹以层间或跨层的方式传播；

(b)-(c) 白色Y₂O₃颗粒从基体中析出；

(d) SE图像表明片层结构破坏和分离之前会产生空隙；

(e)-(f) 经生长速率为0.6mm/min的定向凝固后，HT式样的裂纹路径。

图6：HT式样经弯曲实验后的断口形貌

(a)-(e) 经生长速率为1.2 mm/min的定向凝固后的HT式样；

(g)-(f) 经生长速率为0.6mm/min的定向凝固后的HT式样。

图7：含有Y₂O₃颗粒的合金断裂现象示意图

(a) 裂纹跨层传播；

(b) 裂纹层间传播。

【小结】

这篇文章揭示了Y₂O₃颗粒对于定向凝固合金断裂韧性的影响，通过适当的定向凝固和热处理手段，制备出含有不同体积分数Y₂O₃颗粒的TiAl基合金。研究结果表明，Y₂O₃颗粒体积分数的增加会降低合金的断裂韧性，裂纹沿着Y₂O₃和基体形成的界面传播，最后析出白色的Y₂O₃颗粒。

文献链接：Effect of Y₂O₃particles 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）

本文由材料人编辑部金晨编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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