雙態組織高Nb-TiAl合金的缺口敏感性

許正芳，徐向俊，林均品

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 200940)(2.中原工學院，河南 鄭州 450007)(3.北京科技大學 新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083)

在設計工程結構件時，難免會存在一些幾何不連續處，如連接孔、結構溝槽或彎角等，從材料力學角度來看，可將這些幾何不連續處視為缺口。在工件服役過程中，應力通常會集中在這些缺口根部并容易誘發裂紋，導致結構件提前失效。高Nb-TiAl合金因具有優越的高溫抗氧化性能以及瞬時高溫強度，已成為高溫高性能金屬間化合物的重要發展方向之一，被認為是一種理想的航空航天用高溫結構材料，主要用作航天飛機蒙皮、結構件和渦輪發動機葉片等[1-4]。Kim等[5]研究認為，大量難熔Nb元素的加入和Al含量的降低會使TiAl合金的缺口敏感性升高。從保證航空材料應用時的安全性角度考慮，研究高Nb-TiAl合金的缺口敏感性具有重要的現實意義。

1 實 驗

采用真空自耗+真空自耗凝殼復合熔煉工藝制備高Nb-TiAl合金鑄錠，其名義化學成分為Ti-45Al-(8～9)Nb-(W、B、Y)(原子分數，x/%)。鑄錠經1 250 ℃/140 MPa/4 h熱等靜壓處理，再經3次等溫鍛造熱加工獲得鍛態高Nb-TiAl合金坯料，其組織為細小均勻的雙態組織，如圖1所示。

圖1 鍛態高Nb-TiAl合金坯料的顯微組織Fig.1 Microstructure of as-forged high Nb containing TiAl alloy billet

以鍛態高Nb-TiAl合金坯料為研究對象進行拉伸試驗，結合ANSYS有限元模擬，分析其缺口強化機理。從缺口類型和缺口根部半徑兩方面討論合金對缺口的敏感性。金屬材料對缺口敏感性的指標[6]以缺口試樣的抗拉強度RmN與無缺口光滑試樣的抗拉強度Rm的比值來衡量，稱為缺口敏感度，并用NSR(notch sensitivity ratio)表示，如式(1)所示：