【正文】 Keywords: TiAl alloy ； casting molding ； ProCAST simulation ； analysis 第 3 頁 共 34 頁 第一章 緒論 課題的目的及意義 γTiAl 合金具優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、抗蠕變性能、高溫抗氧化性能，是飛機發(fā)動機和火箭推進系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料中的候選材料之一 [13]。但由于其缺點有室溫脆性較大，延展性差，可行性加工困難，從而限制了 TiAl 合金的應(yīng)用。隨著航天航空事業(yè)和造船業(yè)的迅猛的發(fā)展，對于發(fā)動機的 要求愈來愈高，而尤其是發(fā)動機的推重比跟不上是阻礙這些行業(yè)發(fā)展的最核心的問題，想提高發(fā)動機的性能，最主要是提高葉片的性能，而 TiAl合金的密度低等這些優(yōu)點，使得其成為發(fā)動機葉片的首選材料之一，但是由于 TiAl 基合金的室溫塑性差，加工成型能力不足，使得 TiAl 基合金的發(fā)展受到阻礙，所以 TiAl基合金材料的制備是一個非常的核心問題。 因為 TiAl 基合金熔體自身粘度大、流動性差、且在高溫條件下輕易和其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的這些缺點，使得 TiAl基合金成型尤其艱難，于是很多研究工作者嘗試不同的成型方法，目前運用到 TiAl基合金成型的方法有很多。如粉末冶金、離心鑄造、熔模鑄造、機械和進化等等成型方法。然而由于 TiAl基合金自身熔體流動性差、高溫易于其他物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、粘度大等特征，使得 TiAl基合金熔體本身鑄造性能差，鑄造出來的組織往往組織粗大、偏析嚴(yán)重，所以要想獲得良好的鑄件，尤其是薄壁鑄件更為艱難。在對 TiAl 基排氣閥離心鑄造技術(shù)的研究中， K. Liu[4]提出， TiAl 基合金的合金液的溫度越高，則澆鑄時金屬液過熱度越高，則充填率越好，當(dāng)合金的過熱度達到 180℃ ，鑄件充型尤為良好。德國學(xué)者 A. Choudhury 和及 M. Blum 研究發(fā)現(xiàn) [5]，鑄型加熱到 1000℃才可以防止鑄件中縮孔缺陷的發(fā)生。而當(dāng)前對于 TiAl 基合金在航空航天等領(lǐng)域的使用，尤其在發(fā)動機領(lǐng)域的使用更注重于薄壁鑄件，而對于 TiAl 基合金的薄壁鑄件鑄造又由為困難，所以本課題采用另一種成型方法即真空吸住的亞快速凝固行為的研究，想突破傳統(tǒng)的鑄造成型困難的問題，從而獲得良好的 TiAl基合金的薄壁鑄件。而本課題采用真空吸鑄的方法，可以很好的彌補其他成型的缺陷 TiAl 基合金的研究現(xiàn)狀 TiAl 基合金的研究進展 由于 TiAl 合金具有 的優(yōu)點有：合金密度低、彈性模量高、高溫強度高、高溫抗氧化性能高等許多突出的優(yōu)點，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，美國學(xué)家 第 4 頁 共 34 頁 教授對 TiAl 進行了深層次的研究，最后發(fā)現(xiàn) 擁有最佳性能，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，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)院金屬腐蝕與防護研究所唐兆麟等 [] 在 1997 年通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下通過添加 Cr 元素TiAl 將會具有特別好的防氧化效果，到 20xx 年西北有色金屬研究所發(fā)現(xiàn) Al 元素的波動對其高溫氧化行為具有影響。到 20xx 年，北京科技大學(xué)張寧等通過實驗發(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，阻止進一步氧化。 TiAl 基合金的組織特點 γTiAl 合金具優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、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)進行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷就可以得到γ /α 2 片層團和小量分布于層片團間的等軸 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)進行熱處理，經(jīng)爐冷或空冷可以獲得 γ/α2片層團，最終獲得等軸γ晶粒和 γ/α2 層片團組織。近γ組織 (NG)， 在剛高于共析溫度的γ+α 兩相區(qū)進行熱處理，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 的組織進而來改變 TiAl 的溫室塑性，經(jīng)過科研人員的大量實驗表明，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，進而減小滑移面的位錯長度和位錯堆積，但會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 第 5 頁 共 34 頁 位錯的發(fā)生，而析出雜質(zhì)第二象則會導(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)動機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)動機，制作一些發(fā)動機的部件，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，進而減少噪音，改進發(fā)動機性能。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度的結(jié)構(gòu)件上。 TiAl還有優(yōu)點如 ：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 粉末冶金 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，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。其缺點是在燒結(jié)的時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。 鑄造冶金 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 第 6 頁 共 34 頁 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，熔模鑄造是一個非常好的選擇，而且鑄造精度高，可以進行精鑄。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，這樣將會省很多成本。于是離心鑄造技術(shù)在這樣的潮流的推動下得到了廣泛的應(yīng)用。由于離心鑄造時鑄型的旋轉(zhuǎn)速度很快，充型時金屬液在強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，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。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，需要進行再加工，也使得鑄件容易偏析。 鍛造成型 對 TiAl 基合金進行鍛造時，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進行鍛造。這樣就能在變 形溫度較慢時進行鍛造成型。如圖 11 等溫鍛造下的壓氣機葉片。 圖 11 等溫鍛造壓氣機葉片 第 7 頁 共 34 頁 真空吸鑄 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 TiAl其他鑄造成型方法中的缺陷，其優(yōu)點有以下幾點： （ 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基合金高溫時活性強，很容易被氧化，而真空 吸鑄是在真空條件下進行，防止合金液在凝固過程中被氧化。 （ 4）金屬液在澆鑄時，由于金屬液與型腔接觸，使得流動速度減慢，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 精密鑄造小型薄壁 TiAl 合金件的應(yīng)用前景 早在很多年前世界上那些發(fā)達國家就對 TiAl 基合金在航空航天行業(yè)進行了深入研究，尤其作為世界超級大國的美國，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)動機制造等行業(yè)，成為飛機發(fā)動機和火箭推進系統(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 第 8 頁 共 34 頁 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。 鑄造過程中的數(shù)值模擬 隨著時代的發(fā)展，計算機技術(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