【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 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]。對澆鑄溫度分別為 1550℃、 1575℃、 1600℃、1625℃進行模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)澆鑄溫度 1550℃時，鑄件縮松、縮孔缺陷最?。粚﹁T型溫度分別為 600℃、 400℃、 200℃和 0℃進行模擬分析，最后發(fā)現(xiàn)鑄型溫度為 200℃時總體性能最好；對澆鑄速度分別為 、 ，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 合金的應用。隨著時代的發(fā)展，計算機技術(shù)逐步應用于鑄造領(lǐng)域，鑄造成型數(shù)值模擬技術(shù)可以預測工作人員在鑄造成型時鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、缺陷產(chǎn) 生的時間、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，進而降低生產(chǎn)成本。最后結(jié)論是當澆鑄溫度為 1550℃、鑄型溫度為 200℃、澆鑄速度為 。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 合金的應用。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)生化學反應、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，美國科學家又開發(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。 到 2021 年，北京科技大學張寧等通過實驗發(fā)現(xiàn)適當添加 Y元素可以提高高鈮 TiAl 合金的高溫長期抗氧化性，還可以起到細晶強化的作用，使外層晶粒細小從而形成致密的氧化膜，阻止進一步氧化。近片層組織 (NL)，在剛低于 T 溫度不遠的 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。（ 2）合金化及微合金化。 TiAl 基合金的應用 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。 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。 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用，但通過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說還 是處于蓬勃的良好的發(fā)展勢頭。 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精密的工件，則不需要二次加工，這樣將會省很多成本。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。 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。 （ 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。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 11 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 基合金的應用前景之廣闊。 主要研究內(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)點有以下幾個方面： （ 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行鑄造，避免了金屬液在凝固過程中的氧化。 第 12 頁 共 34 頁 第二章 研究方法及參數(shù)設(shè)置 真空吸鑄過程分析 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行充型的，使得充型動力增加，而 TiAl 合金金屬液活性大，流動性差，冷卻速度快， 而真空吸鑄可以增加充型動力，于是該工藝可以澆鑄小型薄壁件 TiAl 合金件。 在充型過程中，為了避免鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔、夾雜、澆不足等缺陷，我們必須對澆鑄工藝進行優(yōu)化。 實驗材料及模擬參數(shù)選取 實驗材料選取 本課題研究的是真空吸鑄對 TiAl 基合金的亞快速凝固行為，所以鑄件主要材料為TiAl 合金， TiA 合金的優(yōu)點是具有非常好的彈性模量，高溫強度和氧化性能，使得它在未來的渦輪發(fā)動機制作中成為一個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 可以用來提高伽瑪合金的強度和抗氧化性能，更是高達 12%的 Nb 已被用來作為合金添加劑 [14]。所以在 TiAl 合金為主要材料的情況下，我還加入少量的 Nb進行模擬，于是這次選擇的材料為 %Al8%Nb 進行模擬。凝固分數(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)。縮松、縮孔的位置及大小是來分析鑄造過程中的工藝參數(shù)對縮松、縮孔的影響。另存為 igs 格式 (2) 將裝配圖的 igs 格式導入 meshcast 中進行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。 a) b) 第 17 頁 共 34 頁 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法進行。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)格步長設(shè)大一點，這樣就可以縮短模擬時間。當溫度為 1503℃時，從圖中可以看出凝固分數(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 共 34 頁 圖 %Al 合金的導熱系數(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 共 34 頁 圖 313 .%Al 合金的粘度與密度之間的關(guān)系 總體來說，加 Nb 的 TiAl 基合金整體性能比不加 Nb 的 TiAl 基合金性能要好。以下對模擬后的可視化結(jié)果進行分析。從此可以看出，并不是澆鑄溫度越高越好，應選擇更好澆鑄溫度。從縮松、縮孔出現(xiàn)的位置可以與上面的凝固分數(shù)圖聯(lián)系起來，縮松、縮孔主要出現(xiàn)在凝固分數(shù)比較低的部位，由于后期凝固而又得不到合金液的補縮，就造成了縮松、縮孔。對應的縮松、縮孔面積理論上應該減小。從此可以看出，并不是鑄型溫度越高越好，應選擇更加合適的鑄型溫度。雖然鑄型溫度為 200℃和 0℃ 時凝固分數(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)域在后期凝固過程中就會得到合金液的補縮，應力相對比較小。 圖 澆鑄速度對充型的影響 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 ，從中選取一個比較好的澆鑄速度。由圖323 縮松、縮孔圖可知，當澆鑄速度為 、縮孔缺陷最小，而且處于薄板頂部。由圖 316 可以清楚的看出當澆鑄溫度為1625℃時，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，但鑄型溫度過高，會造成組織粗大，組織韌性、塑性越低，對材料的性能不利，鑄型溫度過低，則保溫效果不好，凝固速度變快，會造成澆不足，縮松、縮孔等缺陷；澆鑄速度越快，越有利于充型，但會造成沖砂，澆鑄時出現(xiàn)紊流等，澆鑄速度c) b) a) 第 31 頁 共 34 頁 過慢，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。所以組織粗大會使得材料的強度、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，則過冷度越大，而理論上過冷度越大，鑄件的晶粒越小。金屬液在結(jié)晶時，如果施加外力，就會增加鑄型中金屬液的運動，就會造成枝晶破碎，而破碎后的晶 塊又充當晶核作用，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的。做設(shè)計的過程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。尤其記得在做開題報告時，我說 TiAl 基合金的尺寸效應不知道怎么開筆寫，葉老師當時思考了下，立馬給我換了個課題。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學習的過程，在做畢業(yè)論文的過程中，通過查看文獻，查找資料，讓我對澆鑄整個過程有了更深刻、更系統(tǒng)的了解，尤其對澆鑄過程中的澆注溫度、澆鑄速度和鑄型溫度對澆鑄件的影響更深刻。 第 36 頁 共 34 頁 參考文獻 [1] 宋光鈴 .鎂合金腐蝕與防護 [M].北京 :化學工業(yè)出版社， 2021. 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