【正文】 l基合金的研究現(xiàn)狀 TiAl基合金的研究進(jìn)展由于TiAl合金具有的優(yōu)點(diǎn)有：合金密度低、彈性模量高、高溫強(qiáng)度高、高溫抗氧化性能高等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，使得TiAl基合金受到國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注，并把TiAl基合金作為下一代新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。早在上世紀(jì)80年代以來，TiAl基合金就引起了國內(nèi)外廣大科研工作者的注意。早在1950年，就有美國科學(xué)家對TiAl基合金的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiAl基合金的溫室塑性太差，而放棄研究。15年后， 教授對TiAl進(jìn)行了深層次的研究，即第一代TiAl基合金。直至80年代末，美國科學(xué)家又開發(fā)了二代TiAl合金，并經(jīng)過多次試驗(yàn)，證明了二代TiAl合金具有優(yōu)良的綜合性能。接著后來，TiAl基合金不斷的被人類研究開發(fā)，其強(qiáng)大的優(yōu)良性能也不斷的展現(xiàn)出來，引起了很多學(xué)者的不斷研究的興趣，也促進(jìn)了航空航天也、造船業(yè)、醫(yī)療器具制造業(yè)的發(fā)展，逐步出現(xiàn)三代、四代TiAl基合金。國內(nèi)在TiAl合金的研究起步比較晚，沒有歐美起步早。中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)研究所唐兆麟等[] 在1997年通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下通過添加Cr元素TiAl將會(huì)具有特別好的防氧化效果，到2000年西北有色金屬研究所發(fā)現(xiàn)Al元素的波動(dòng)對其高溫氧化行為具有影響。到2007年，北京科技大學(xué)張寧等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)適當(dāng)添加Y元素可以提高高鈮TiAl合金的高溫長期抗氧化性，還可以起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使外層晶粒細(xì)小從而形成致密的氧化膜，阻止進(jìn)一步氧化。 TiAl基合金的組織特點(diǎn)γTiAl合金具優(yōu)點(diǎn)有密度低、彈性模量高、高溫強(qiáng)度高、高溫抗氧化性能、抗蠕變性能，TiAl 基金屬間化合物較 Ti3Al 及 Ti 合金有顯著的優(yōu)越高溫性能[8]，TiAl基合金的合金成分、晶粒大小、加工方法決定其室溫拉伸性能。一般來說，經(jīng)過熱處理TiAl基合金可以獲得四種組織：全片層組織、近片層組織、雙態(tài)組織、近γ組織。全片層組織一般組織比較粗大，室溫延展性和強(qiáng)度較低，降低組織尺寸可以改善。近片層組織(NL)，在剛低于T溫度不遠(yuǎn)的γ/α2兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷就可以得到γ/α2片層團(tuán)和小量分布于層片團(tuán)間的等軸γ晶粒組成的近全片層組織。雙態(tài)組織(DP)，在兩相體積分?jǐn)?shù)大約相稱的溫度，約Tα60℃，γ+α 兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷可以獲得γ/α2片層團(tuán)，最終獲得等軸γ晶粒和γ/α2層片團(tuán)組織。近γ組織(NG)，在剛高于共析溫度的γ+α兩相區(qū)進(jìn)行熱處理，得到基本都是由等軸γ晶粒所組成的組織，通常含有少量的細(xì)小α相顆粒在γ晶界[9]。由于TiAl室溫塑性低一直是阻礙其發(fā)展的主要因素，為了使TiAl得到良好的應(yīng)用，必須解決其室溫塑性低的問題，然而可以通過改變TiAl的組織進(jìn)而來改變TiAl的溫室塑性，經(jīng)過科研人員的大量實(shí)驗(yàn)表明，控制TiAl的微觀組織可以提高TiAl的溫室塑性，目前改善微觀組織的方法主要有五種：（1）完善制備工藝，設(shè)計(jì)合理的制造工藝。（2）合金化及微合金化。（3）降低環(huán)境脆性。(4)在基體中參加塑性纖維或加入塑性粒子。（5）改進(jìn)微觀組織可以采用雙相顯微組織，而雙態(tài)組織擁有良好的室溫塑性，但斷裂韌性和抗蠕變性能較差；還可以通過細(xì)化晶粒尺寸減小滑移帶長度，進(jìn)而減小滑移面的位錯(cuò)長度和位錯(cuò)堆積，但會(huì)造成滑移面交截處和晶界的應(yīng)力集中，容易形成裂紋；還可以通過控制晶界雜質(zhì)析出和控制板條間距，由于晶界雜質(zhì)第二象可以阻礙位錯(cuò)的發(fā)生，而析出雜質(zhì)第二象則會(huì)導(dǎo)致晶界脆性，所以需要控制其析出的量。 TiAl基合金的應(yīng)用隨著人們對TiAl合金的不斷研發(fā)與探究，TiAl合金的潛在價(jià)值逐漸被人們所關(guān)注，應(yīng)用范圍也不斷的被拓寬，研發(fā)的科研人員目光更注重TiAl的實(shí)際應(yīng)用，TiAl基合金密度低，作為減重材料，來代替鎳基合金，更優(yōu)于鎳基合金。而航空和發(fā)動(dòng)機(jī)部件迫切需求減重材料，于是TiAl基合金騰空出世， 廣泛被采用。由于TiAl合金的密度比較小，可以用與空行航天這些急需減重的高科技行業(yè)，還可以用來制造汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，制作一些發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，例如，用來制造汽車的排氣閥，從而使得汽車的排氣閥質(zhì)量減輕，進(jìn)而減少噪音，改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。另外，又由于TiAl基合金的比模量高，可以制作隔板、渦輪葉等一下需要高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件上。TiAl還有優(yōu)點(diǎn)如：該合金在600—750℃之間具有良好的抗蠕變性能，部分可以用來取代鎳基合金。 TiAl基合金的成型技術(shù)目前TiAl的成型方法主要有鍛造、粉末冶金和鑄造的方法，下面分別來談?wù)勂涑尚头椒ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)TiAl基合金塑性差，加工極為困難，利用粉末冶金可以得到成型的TiAl基合金零件，得到的組織也比鑄錠冶金的組織細(xì)小、均勻。當(dāng)我們選用粉末冶金技術(shù)時(shí)，首先得制備出純度、粒度符合要求的TiAl合金粉末，并且再經(jīng)過模壓、擠壓、燒結(jié)等技術(shù)處理手段才能是TiAl合金成行，而在粉末冶金成行方法得到的成品致密程度是限制粉末冶金使用的主要因素，致密度往往與TiAl合金的成分、顆粒大小、燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)溫度及加熱速度有關(guān)。原顆粒越小，則致密度越高，加熱速度越快則不利于提高成品致密度。在粉末冶金時(shí)間隙雜質(zhì)以及致密度問題制約了該方法的應(yīng)用，但通過純化粉末的方法使得該方法得到改善和提高。粉末冶金易于制造形狀比較復(fù)雜的零件而且可以節(jié)省大量的原材料，降低成本。其缺點(diǎn)是在燒結(jié)的時(shí)候容易造成體積膨脹，導(dǎo)致成品致密度不高，合金組織均勻性差。但近年來開發(fā)了幾種具有良好發(fā)展前景的TiAl合金粉末凈形加工技術(shù)，還有J. Moll認(rèn)為，粉末冶金技術(shù)可以減小偏析和加工周期。所以粉末冶金總體來說還是處于蓬勃的良好的發(fā)展勢頭。 目前應(yīng)用于TiAl基合金的鑄造成型方法主要有熔模鑄造、離心鑄造、反重力低壓鑄造。熔模鑄造成本比較低，并且熔模鑄造可以得到尺寸精確、表面光滑的鑄件，最主要的特征是可以得到尺寸精度高、表面粗糙度小的鑄件，熔模鑄造還可以鑄造形狀復(fù)雜的鑄件，熔模鑄造還不受材料的限制，對于難以鍛造和難以加工的合金材料來說，熔模鑄造是一個(gè)非常好的選擇，而且鑄造精度高，可以進(jìn)行精鑄。但由于TiAl在高溫下具有很高的活性，可以與耐熱的材料反應(yīng)，這樣就使得在熔模鑄造時(shí)鑄件表面容易產(chǎn)生污染層，如此影響鑄件的外觀質(zhì)量，也影響鑄件的內(nèi)在性能。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，鑄造技術(shù)受到廣泛資本家的歡迎，如果能夠直接鑄造出來精密的工件，則不需要二次加工，這樣將會(huì)省很多成本。于是離心鑄造技術(shù)在這樣的潮流的推動(dòng)下得到了廣泛的應(yīng)用。由于離心鑄造時(shí)鑄型的旋轉(zhuǎn)速度很快，充型時(shí)金屬液在強(qiáng)大的離心力的作用下而充滿型腔，并凝固，使得合金液的充型能力更強(qiáng)，鑄造出來的鑄件更加致密。離心鑄造與重力鑄造相比，鑄件更致密、充型能力更強(qiáng)。由于離心力的作用，離心鑄造還可以對縮松縮孔、充型不足、氣孔、夾雜等缺陷進(jìn)行改善。但是也由于離心力的作用使得氣體、熔渣等雜物集聚在鑄件表面，使得鑄件質(zhì)量較差，需要進(jìn)行再加工，也使得鑄件容易偏析。對TiAl基合金進(jìn)行鍛造時(shí)，鍛造負(fù)荷比較大，鍛造溫度很窄，微觀組織不均勻，局部容易過熱，鍛件表面容易產(chǎn)生裂紋。所以常常鍛造出來的零件可塑性比較差，難以鍛出比較復(fù)雜的零件，材料利用率比較低。TiAl基合金變形抗力受變形速度和變形溫度的影響較大，所以鍛造TiAl基合金適用于等溫鍛造，即將鍛坯與磨具加熱到等溫時(shí)進(jìn)行鍛造。這樣就能在變形溫度較慢時(shí)進(jìn)行鍛造成型。如圖11等溫鍛造下的壓氣機(jī)葉片。圖11 等溫鍛造壓氣機(jī)葉片 金屬型底注式真空吸鑄是一種鑄造 TiAl 基合金材料新工藝技術(shù)如圖12，可以很好地彌補(bǔ)TiAl其他鑄造成型方法中的缺陷，其優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）由于合金液體在上下壓差下凝固，可以減小縮松縮孔等缺陷。（2）由于TiAl基合金的金屬液流動(dòng)性差，在熔模鑄造中需要很高的過熱度才能充型好，而在真空吸鑄中不需要太高的過熱度就可以很好地充型。（3）TiAl基合金高溫時(shí)活性強(qiáng)，很容易被氧化，而真空吸鑄是在真空條件下進(jìn)行，防止合金液在凝固過程中被氧化。（4）金屬液在澆鑄時(shí)，由于金屬液與型腔接觸，使得流動(dòng)速度減慢，凝固速度變快，使得充型能力下降，容易造成澆不足、流痕等缺陷，但真空吸鑄是在重力和上下壓差的作用下，使得充型能力得到提高，保證充型完整。圖12真空吸鑄示意圖早在很多年前世界上那些發(fā)達(dá)國家就對TiAl基合金在航空航天行業(yè)進(jìn)行了深入研究，尤其作為世界超級(jí)大國的美國，對TiAl合金的研究更早。由于TiAl基合金的彈性模量高，密度低，高溫強(qiáng)度高，高溫抗氧化性能高，高溫抗蠕變性能好等優(yōu)良性能，使得TiAl基合金大量使用在航空航天和發(fā)動(dòng)機(jī)制造等行業(yè)，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭推進(jìn)系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料中的候選材料之一，深受從事高溫結(jié)構(gòu)材料研發(fā)的工作人員的青睞，但由于TiAl基合金的室溫脆性低，使得TiAl基合金的薄壁鑄件的鑄造更為艱難，因此，精密鑄造TiAl基合金的應(yīng)用前景之廣闊。隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域，鑄造成型數(shù)值模擬技術(shù)在優(yōu)化熔模工藝和研究金屬熔模理論起著越來越重要的作用。鑄造成型數(shù)值模擬技術(shù)可以預(yù)測實(shí)際過程中工作人員在鑄造成型時(shí)鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、產(chǎn)生的時(shí)間、缺陷的大小及缺陷的部位，從而進(jìn)行優(yōu)化鑄造成型工藝，確保鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短試制周期。主要有應(yīng)力場數(shù)值模擬、充型數(shù)值模擬、縮松縮孔數(shù)值模擬。真空吸鑄是鑄造TiAl基合金的一種新工藝技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）由于TiAl基合金的活性比較大，在空氣中容易氧化，而真空吸鑄在真空下進(jìn)行鑄造，避免了金屬液在凝固過程中的氧化。（2）在真空條件下鑄造，型腔與外界存在壓力差，而在壓力差的條件下鑄造成型，可以減少縮松、縮孔缺陷的形成。（3）由于TiAl基合金液體的流動(dòng)性比較差，在熔模鑄造時(shí)需要給液體很高的溫度才能保證充型完整，而在真空吸鑄時(shí)，不需要太高的溫度就可以充型完整。本課題主要是利用procast軟件對小薄壁型TiAl基合金鑄件進(jìn)行鑄造成型數(shù)值模擬，觀察模擬整個(gè)過程中的充型過程和溫度變化，以及調(diào)整工藝參數(shù)從而減少模擬過程中縮松、縮孔等缺陷的產(chǎn)生，從而優(yōu)化工藝。第二章 研究方法及參數(shù)設(shè)置真空吸鑄充型過程是在金屬液自身重力和鑄型上下壓差作用下進(jìn)行充型的，使得充型動(dòng)力增加，而TiAl合金金屬液活性大，流動(dòng)性差，冷卻速度快