近年来，TiAl基合金定向凝固的研究主要注重有以下几个方面：(1)合金化，通过在TiAl基合金中加入合金元素来提高合金的使用温度，高温强度，抗氧化性和蠕变强度；(2)制备方法，采用水冷铜坩埚定向凝固来避免高温下合金熔体与坩埚反应而被污染，得到几乎不受污染的合金铸锭；(3)合金组织控制，两种方法可控制定向凝固合金组织的片层取向，即通过引入籽晶（如Ti-43Al-3Si）或直接用非籽晶法来控制，从而提高合金的宏观力学性能。此外，部分材料学家通过其他方法控制片层取向，如加入微量元素、热处理和用相场法模拟TiAl基合金的定向凝固过程等。67816

1 Ti-45Al-6Nb合金的性能特点

普通的钛铝合金具有很高的室温脆性，断裂韧性低。温度在800℃以上时，抗高温蠕变和抗氧化性能均较差，从而限制了钛铝合金的工业化应用。为了改善钛铝基合金的宏观力学性能和抗高温氧化性能，材料学家进行了大量的理论和试验研究，使钛铝合金朝着多组元化方向发展。其中在TiAl或Ti3Al中添加高含量、高熔点的Nb、Zr、Hf和Ta等过渡族元素所得的新合金性能大大提高，受到众多材料学家们的青睐。尤其是Nb的加入是提高钛铝基合金的力学性能和高温抗氧化性能最有效的手段之一。我国陈国良院士在国际上率先开展了高铌钛铝合金的研究。一方面，高铌钛铝合金与普通钛铝合金相比，抗氧化性能大大提高，使用温度升高了60~100℃，室温强度提高300~500MPa，高温抗蠕变速率降低至原来的1/2以下；另一方面，高铌钛铝合金的基本组织与普通钛铝合金相同，由于Nb在钛铝合金中有很高的溶解度，因此可进行高Nb合金化。高Nb合金化产生的显著影响可以概括为：熔点提高了约100℃；β(B2)相区扩大，α相区变窄，向高Al区移动；γ相区向低Al方向移动；α→α２＋γ共析温度升高。如图1.5所示。

图1.5 含10Nb的TiAl合金的准相图（实线）与TiAl二元相图（虚线）

2 Ti-45Al-6Nb合金的定向凝固制备

国内外关于高铌钛铝合金制备及其性能研究的已开展很多，但关于该合金的定向凝固制备研究相对较少[15][16]。目前，定向凝固制备含铌TiAl合金主要采用定向凝固这种方法。该方法采用涂有Y2O3涂层的刚玉坩埚作为坩埚材料，其设备简单、适用范围广。但定向凝固过程中，由于温度很高，会有微量的Y2O3会发生分解反应：

Y2O3(solid)＝2Y(molten)＋3O(molten) (1)

这就导致了合金中的氧含量增加。同样的原因会是的合金中的铝含量减少，但不影响实验结果。另外，由于过程中会有部分Y2O3颗粒脱落进入到合金熔体，而且加热时间越长，或加热温度越高，所得合金铸锭的氧含量和Y2O3颗粒杂质含量会随之增加，最终影响到合金的宏观力学性能。论文网

北京科技大学的丁贤飞等人[20][26]选用内层涂有Y2O3的A12O3陶瓷管作为坩埚，研究了Ti-45Al-8Nb和Ti-45Al-8.5Nb-(W,B,Y)合金的定向凝固。在抽拉速率为5µm/s时，Ti-45Al-8Nb生长的柱状晶明显，晶粒内部片层与柱状晶生长方向成0º、45º和90º关系，凝固组织成分比较均匀,无凝固偏析。随着抽拉速率的增加，柱状晶的宽度变窄，在抽拉速率超过8µm/s时,会形成有枝晶形貌的胞状Al偏析，柱状晶晶界附近有富Ti、Nb、W的析出物出现。定向凝固时β相稳定元素富集在枝晶间的液相中，形成一些B2相颗粒，B2颗粒的体积分数随着生长速率减小而降低。