高温TiAl合金的使用温度比普通TiAl合金高60 ~100oC。北京科技大学陈国良等进行了TiAl-Nb系大量的基础研究,并发展了高铌含量的TiAl合金,表1.1为TiAl合金发展历程，可以发现随着TiAl合金朝着多组元化方向发展,合金中Al的含量逐渐降低,而Nb的含量则逐渐升高,最终发展到Ti- Al- Nb三元体系。Chen G.L.等人研究表明[15],当Nb含量高于5%(摩尔分数)时,强化效果十分明显。

表1.1  TiAl合金发展历程[13]

随着Nb含量的逐渐增加，TiAl合金在高温时的抗氧化性，高温强度以及抗蠕变性能都有很大的提高。在保持高铌含量的同时，在合金中添加一些微量元素，如B，W，Y等稀土元素，TiAl合金的性能又有很大的提高。杨慧敏、苏彦庆等人[14]研究了B元素对Ti-46A1和Ti-46A1-5Nb(at%)合金柱状晶组织的影响，探讨获得细小柱状晶组织的可能性。他们指出随B含量的增加，Ti-46A1和Ti-46A1-5Nb(at%)合金柱状晶直径逐渐减小，细化效果更加明显，同时，郑立静、杨莉莉[16]等人研究了B元素在TiA1合金中的研究进展，认为B是细化铸造TiAl合金片层团的最有效合金元素，但B对合金的力学性能具有双刃剑的作用，因为硼化物的微观形态对力学性能影响严重。

杨志尚、章复中等人[17-19]研究了Y对TiAl合金组织和性能的影响，设计并熔炼了γ-TiAl合金，认为组织相同时添加Y能够细化TiAl晶粒，促进片层组织的形成，并能降低间隙原子在合金中的含量，提高强度和塑性，但当Y过量时，由于Ti-Al-Y化合物的形成，室温强度和塑性显著降低。

1.4  本课题研究内容

目前，有许多研究都是关于高铌钛铝合金性能以及普通钛铝合金定向凝固的。但在某些合金元素对高铌钛铝合金定向凝固的影响方面，相关研究仍然不足，需要对其开展实验探索。本文应达到的目的为熟悉钛铝合金基础知识，根据钛铝相图深入理解钛铝合金相变过程，掌握制备定向凝固钛铝合金试棒的一般方法，获得不同冷却速率条件下定向凝固钛铝合金液固界面组织，确定定向凝固路径，分析合金元素及工艺参数对凝固路径及液固界面组织的影响。主要内容包括以下三个方面：

1.利用电弧熔炼或感应悬浮熔炼法制备高铌钛铝合金锭，并将其吸铸成试棒；

2.利用Brideman法或光学浮区法，采用相同的抽拉速率与温度梯度对不同成分的合金试棒进行抽拉，制备定向凝固试棒；

3.磨制金相，观察并分析合金元素及工艺参数对合金定向凝固液固界面组织的影响。

2  实验方法

2.1  实验方案

本文以Ti-45Al以及Ti-45Al-6Nb合金为研究对象，先熔炼制备钛铝合金棒料，然后制备定向凝固试样，得到以柱状晶生长的定向凝固高铌钛铝合金组织，并对不同部位的组织及成分分步进行分析。同时将两个试样的各部分的组织进行对比，从而研究Nb元素的加入对钛铝合金稳定生长区组织的影响。本实验制备出试样后，使用金相显微镜（OM）对其进行分析，达到本实验的目的。具体实验方案如下：文献综述

1．配料：由成分配比计算所需材料质量，通过分析天平精确配料；

2．电弧熔炼成钮扣锭；

3．吸铸成试棒；

4．对Nb元素含量不同的钛铝合金进行定向凝固，得到试棒；

5．样品抛光腐蚀后使用金相显微镜进行观察，分析试样的组织结构，对比不同成分的试样，得出Nb对定向凝固钛铝合金组织的影响。

2.2  实验材料及设备

2.2.1  实验材料

本实验进行高铌钛铝合金定向凝固工艺实验选用的材料基本成分为Ti-45Al-6Nb(at%)以及Ti-45Al。在本实验过程中，为研究Nb元素对定向凝固组织的影响，制备不同Nb含量的钛铝合金，所用原料为：高纯钛（纯度为99.99%），纯铝（纯度为99.99%），纯铌（纯度为99.99%）。