【正文】 lly found the shrinkage and shrinkage defects of the minimum is casting speed of ℃ , the casting temperature is 1550℃ and the casting speed is , the casting is best. Keywords: TiAl alloy ； casting molding ； ProCAST simulation ； analysis 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第一章 緒論 課題的目的及意義 γTiAl 合金具優(yōu)點(diǎn)有密度低、彈性模量高、高溫強(qiáng)度高、抗蠕變性能、高溫抗氧化性能，是飛機(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 [13]。對(duì)澆鑄溫度分別為 1550℃、 1575℃、 1600℃、1625℃進(jìn)行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)澆鑄溫度 1550℃時(shí)，鑄件縮松、縮孔缺陷最??；對(duì)鑄型溫度分別為 600℃、 400℃、 200℃和 0℃進(jìn)行模擬分析，最后發(fā)現(xiàn)鑄型溫度為 200℃時(shí)總體性能最好；對(duì)澆鑄速度分別為 、 ，最后發(fā)現(xiàn) 縮松、縮孔缺陷最小。但由于其缺點(diǎn)有室溫脆性較大，延展性差，可行性加工困難等，從而限制了 TiAl 合金的應(yīng)用。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)可以預(yù)測(cè)工作人員在鑄造成型時(shí)鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、缺陷產(chǎn) 生的時(shí)間、缺陷的大小及缺陷的部位，從而優(yōu)化鑄造成型工藝，確保鑄件質(zhì)量，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。最后結(jié)論是當(dāng)澆鑄溫度為 1550℃、鑄型溫度為 200℃、澆鑄速度為 。但由于其缺點(diǎn)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。然而由于 TiAl 基合金自身熔體流動(dòng)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(lái)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。而本課題采用真空吸鑄的方法，可以很好的彌補(bǔ)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(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(guó)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。直至 80 年代末，美國(guó)科學(xué)家又開(kāi)發(fā)了二代 TiAl 合金，并經(jīng)過(guò)多次試 驗(yàn)，證明了二代 TiAl 合金具有優(yōu)良的綜合性能。 到 2021 年，北京科技大學(xué)張寧等通過(guò)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(zhǎng)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。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 /α 2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。（ 2）合金化及微合金化。 TiAl 基合金的應(yīng)用 隨著人們對(duì) 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(lái)代替鎳基合金，更優(yōu)于鎳基合金。 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(lái)取 代鎳基合金。 在粉末冶金時(shí)間隙雜質(zhì)以及致密度問(wèn)題制約了該方法的應(yīng)用，但通過(guò)純化粉末的方法使得該方法得到改善和提高。所以粉末冶金總體來(lái)說(shuō)還 是處于蓬勃的良好的發(fā)展勢(shì)頭。 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(lái)精密的工件，則不需要二次加工，這樣將會(huì)省很多成本。由于離心力的作用，離心鑄造還可以對(duì)縮松縮孔、充型不足、氣孔、夾雜等缺陷進(jìn)行改善。 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。 （ 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(guò)熱度才能充型好，而在真空吸鑄中不需要太高的過(guò)熱度就可以很好地充型。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 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 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。 主要研究?jī)?nèi)容 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(guò)程中的氧化。 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第二章 研究方法及參數(shù)設(shè)置 真空吸鑄過(guò)程分析 真空吸鑄充型過(guò)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， 而真空吸鑄可以增加充型動(dòng)力，于是該工藝可以澆鑄小型薄壁件 TiAl 合金件。 在充型過(guò)程中，為了避免鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔、夾雜、澆不足等缺陷，我們必須對(duì)澆鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化。 實(shí)驗(yàn)材料及模擬參數(shù)選取 實(shí)驗(yàn)材料選取 本課題研究的是真空吸鑄對(duì) TiAl 基合金的亞快速凝固行為，所以鑄件主要材料為T(mén)iAl 合金， TiA 合金的優(yōu)點(diǎn)是具有非常好的彈性模量，高溫強(qiáng)度和氧化性能，使得它在未來(lái)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)制作中成為一個(gè)具有很大吸引力的材料 [10]。 Nb 或許是伽瑪鋁化物最重要的合金元素，眾所周知， Nb 可以用來(lái)提高伽瑪合金的強(qiáng)度和抗氧化性能，更是高達(dá) 12%的 Nb 已被用來(lái)作為合金添加劑 [14]。所以在 TiAl 合金為主要材料的情況下，我還加入少量的 Nb進(jìn)行模擬，于是這次選擇的材料為 %Al8%Nb 進(jìn)行模擬。凝固分?jǐn)?shù)線如圖 21。模擬參數(shù)主要選取的有澆鑄溫度、澆鑄速度、鑄型溫度和換熱系數(shù)?？s松、縮孔的位置及大小是來(lái)分析鑄造過(guò)程中的工藝參數(shù)對(duì)縮松、縮孔的影響。另存為 igs 格式 (2) 將裝配圖的 igs 格式導(dǎo)入 meshcast 中進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。 a) b) 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 網(wǎng)格劃分 網(wǎng) 格劃分是決定 procast 能否正常模擬的比較關(guān)鍵的一步，也是比較困難的一步，如果網(wǎng)格劃分不好后面將無(wú)法進(jìn)行。所以在滿足模擬精度的情況下，盡可能的使用粗大網(wǎng)格，將網(wǎng)格步長(zhǎng)設(shè)大一點(diǎn)，這樣就可以縮短模擬時(shí)間。當(dāng)溫度為 1503℃時(shí)，從圖中可以看出凝固分?jǐn)?shù)為 0，也可以看出 %Al8%Nb 的液相線溫度為 1503℃。所以在 TiAl 合金為主要材料的情況下，我還加入少量的Nb 進(jìn)行模擬。從此處可以看出 %Al8%Nb 合金比不加 Nb 的%Al 合金要穩(wěn)定。 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 %Al 合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系 圖 %Al8%Nb 合金的粘度與溫度之間的關(guān)系 第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 313 .%Al 合金的粘度與密度之間的關(guān)系 總體來(lái)說(shuō)，加 Nb 的 TiAl 基合金整體性能比不加 Nb 的 TiAl 基合金性能要好。以下對(duì)模擬后的可視化結(jié)果進(jìn)行分析。從此可以看出，并不是澆鑄溫度越高越好，應(yīng)選擇更好澆鑄溫度。從縮松、縮孔出現(xiàn)的位置可以與上面的凝固分?jǐn)?shù)圖聯(lián)系起來(lái)，縮松、縮孔主要出現(xiàn)在凝固分?jǐn)?shù)比較低的部位，由于后期凝固而又得不到合金液的補(bǔ)縮，就造成了縮松、縮孔。對(duì)應(yīng)的縮松、縮孔面積理論上應(yīng)該減小。從此可以看出，并不是鑄型溫度越高越好，應(yīng)選擇更加合適的鑄型溫度。雖然鑄型溫度為 200℃和 0℃ 時(shí)凝固分?jǐn)?shù)比較小的部位面積比較大，但是這些部位都處于澆口部位，而澆口部位尚未凝固，這些區(qū)域在后期凝固過(guò)程中就會(huì)得到合金液的補(bǔ)縮，應(yīng)力相對(duì)比較小。 圖 澆鑄速度對(duì)充型的影響 本次選取的工藝參數(shù)為澆鑄溫度為 1550℃，換熱系數(shù)為 1000 w/m2k，鑄型溫度分別200℃，澆鑄速度為 ，從中選取一個(gè)比較好的澆鑄速度。由圖323 縮松、縮孔圖可知，當(dāng)澆鑄速度為 、縮孔缺陷最小，而且處于薄板頂部。由圖 316 可以清楚的看出當(dāng)澆鑄溫度為1625℃時(shí)，明顯縮松、縮孔面積比較大，與理論相符合；鑄型 溫度越高，保溫效果越好，越有利于充型，但鑄型溫度過(guò)高，會(huì)造成組織粗大，組織韌性、塑性越低，對(duì)材料的性能不利，鑄型溫度過(guò)低，則保溫效果不好，凝固速度變快，會(huì)造成澆不足，縮松、縮孔等缺陷；澆鑄速度越快，越有利于充型，但會(huì)造成沖砂，澆鑄時(shí)出現(xiàn)紊流等，澆鑄速度c) b) a) 第 31 頁(yè) 共 34 頁(yè) 過(guò)慢，造成澆不足等缺陷。 從圖 324 可以看出，薄板上部組織比較粗大，片層間距也比較大。所以組織粗大會(huì)使得材料的強(qiáng)度、塑性及韌性降低，從而使得材料的性能不好。在連續(xù)冷卻情況下，冷卻速度越大，則過(guò)冷度越大，而理論上過(guò)冷度越大，鑄件的晶粒越小。金屬液在結(jié)晶時(shí)，如果施加外力，就會(huì)增加鑄型中金屬液的運(yùn)動(dòng)，就會(huì)造成枝晶破碎，而破碎后的晶 塊又充當(dāng)晶核作用，金屬液就再在破碎后的晶塊上結(jié)晶，從而使得晶核變多，晶粒變小。 圖 327 為晶粒尺寸與晶粒距離薄板底部距離的大小的圖。這是我們從圖可以直觀的看出來(lái)的。做設(shè)計(jì)的過(guò)程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。尤其記得在做開(kāi)題報(bào)告時(shí)，我說(shuō) TiAl 基合金的尺寸效應(yīng)不知道怎么開(kāi)筆寫(xiě)，葉老師當(dāng)時(shí)思考了下，立馬給我換了個(gè)課題。 寫(xiě)作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程，在做畢業(yè)論文的過(guò)程中，通過(guò)查看文獻(xiàn)，查找資料，讓我對(duì)澆鑄整個(gè)過(guò)程有了更深刻、更系統(tǒng)的了解，尤其對(duì)澆鑄過(guò)程中的澆注溫度、澆鑄速度和鑄型溫度對(duì)澆鑄件的影響更深刻。 第 36 頁(yè) 共 34 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 宋光鈴 .鎂合金腐蝕與防護(hù) [M].北京 :化學(xué)工業(yè)出版社， 2021. [2] 蔡啟舟，王立世，魏伯康 .鎂合金防蝕處理的研究現(xiàn)狀及動(dòng)向 [J].特種鑄造及有色合金， 2021(3):3335. [3] MORDIKE B L ， EBERT propertiesapplications potential[J]. .， 2021， A302:3745. [4] K. Liu, Y. C. Ma, M. Gao. Single Step Centrifugal Casting TiAl Automotive Valves. Intermetallics. 2021,13(9):925~928 [5] A Choudhury, M Blum. Economical Production of TitaniumAluminide Automotive Valves using Cold Wall Induction Melting and Centrifugal Casting in A Permanent Mold Vacuum. Proceedings of the 13th International Vacuum Congress and the 9th International Conference on Solid Surfaces 1996, 47(6~8): 829~831 [6] 唐兆麟，王福會(huì) . Cr 對(duì) TiAl 金屬間化合物高溫氧化性能的影響 [J]. 金屬學(xué)報(bào)， 1997，（ 10）： 1028～ 1033 [7] 唐兆麟，王福會(huì) . Cr 對(duì) TiAl 金屬間化合物抗循環(huán)氧化性能的影響 [J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 1998，（ 2）： 245～ 249 [8] D. M. Dimiduk. Gamma Titanium Aluminide Alloys—an Assessment Within the Competition of Aerospace Structural Materials. Materials Science and Engineering A. 1999,263: 281~288 [9] 葉喜蔥，小型薄壁 TiAl 基合金件底注式真空吸鑄技術(shù)基礎(chǔ)研究 [D]. 哈爾濱 :哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 2021： 1～ 135 [10] . Kim, JOM 46 (1994) 30. [11] T. Noda, Intermetallics 6 (1998) 709. [12] M. Blum, A. Choudhury, H. Scholz, G. Jarczyk, S. Pleier, P. Busse, , S. Knippscheer, in: . Kim, . Dimiduk, (Eds.), GammaTitaniumAluminide