【正文】 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。 （ 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。 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。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。 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。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。 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。 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。（ 2）合金化及微合金化。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。到 20xx 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。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。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。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(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、偏析嚴重，所以要想獲得良好的鑄件，尤其是薄壁鑄件更為艱難。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。最后結(jié)論是當澆鑄溫度為 1550℃、鑄型溫度為 200℃、澆鑄速度為 。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)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。 本學位論文屬于 保密 □，在 _________年解密后適用本授權(quán)書。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 不保密 □。本課題主要使用 ProCAST 軟件對 TiAl 合金進行鑄造模擬，并對模擬后的數(shù)據(jù)進行分析，從而來優(yōu)化工藝參數(shù)。 關(guān)鍵詞 ： TiAl合金；鑄造成型； ProCAST 模擬；數(shù)據(jù)分析 第 2 頁 共 34 頁 【 Abstract】： The advantage of gamma TiAlbased alloys in low density, specific modulus, specific high temperature strength, creep resistance and oxidation resistance makes them became one of a new generation of high temperature structural materials used in aircraft engine and rocket propulsion. But the reason of the disadvantages of room temperature brittleness, poor ductility, feasibility of processing difficulties, which limits the application of TiAl alloy. With the development of the society, puter technology has been gradually applied to the field of casting, Forming numerical simulation can simulation staff in the casting process of the casting defects, the possible time, and predicte the defects in the parts of the casting, so as to optimize the casting process, ensure the casting quality, reduce the cost of production. This task mainly use the ProCAST software to simulation TiAl alloy casting process, and analysis of the simulation data, thus to optimize the process parameters. The different of casting temperature , casting speed and mold temperature were simulated, and after simulation, analysis the stress of solidification, shrinkage and shrinkage . 1550℃ , 1575℃ , 1600℃ and 1625℃ of the casting temperature is simulated respectively, The results showed that when the casting temperature was 1550℃ , the shrinkage porosity and shrinkage porosity of the casting were minimum.。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。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，當合金的過熱度達到 180℃ ，鑄件充型尤為良好。早在上世紀 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。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。 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。雙態(tài)組織 (DP)，在兩相體積分數(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。（ 3）降低環(huán)境脆性。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。 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小、均勻。粉末冶金易于制造形狀比較復雜的零件而且可以節(jié)省大量的原材料，降低成本。 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。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。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。這樣就能在變 形溫度較慢時進行鍛造成型。 （ 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。 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理論起著越來越重要的作用。 （ 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。因為型腔處于真空條件下，里面無空氣，所以金屬液在澆鑄時受到的熱氣體反作用力降低，大大減少了充型阻力，大大減小了薄壁件因充型冷卻速度太快而造成充型能力減小進而導致澆不足等缺陷。當金屬液溫度過低時，薄壁件凝固速度過快，容易產(chǎn)生澆不足等缺陷；當金屬液過高時，在澆鑄過程中金屬液不斷的沖刷型腔，容易沖壞型腔，產(chǎn)生夾雜；當以過小的澆鑄速度進行澆鑄時，雖然金屬液能保持平穩(wěn)狀態(tài)進入型腔，但由于金屬液冷卻速度快，也容易產(chǎn)生澆不足；當澆鑄速度過快時，澆鑄時金屬液射流寬度較小，容易沖破型腔液面，擾動液面，容易產(chǎn)生氣泡和夾雜等缺陷，另外射流寬度小、速度大容易產(chǎn)生紊流，在型腔底部形成渦流。鑄造和金由于其生產(chǎn)成本低，已被用來生產(chǎn)汽車的 渦輪增壓器 [11]和活塞 [12] 。目前尚不清楚， Nb 含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。 模擬參數(shù)選取 本次模擬思路如下： （ 1）鑄件尺寸為 20mm60mm2mm 的薄板件，鑄型為高度為 80mm 直徑為 24mm的圓柱體，冒口為圓錐形。所以初步選取模擬溫度為 1600℃ ，澆鑄速度為 (對應(yīng)是 3 秒澆鑄完 )，換熱系數(shù) h=1000（金屬型砂型換熱 系數(shù)一般為 100020xx），鑄型溫度為 600℃ 。對模擬后 的處理，主要通過模擬全過程中的動畫來考察鑄造過程中的凝固分數(shù)、溫度場及縮松、縮孔的位置和大小。 第 12 頁 共 34 頁 第三章真空 吸鑄 TiAl 基合金熔體充型規(guī)律 圖 31procast 模擬流程圖 數(shù)值模擬流程 Procast 軟件模擬的流程如圖 31， 首先建立三維模型，然后進行面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分，再進行參數(shù)設(shè)置，最后進行可視化處理，進行結(jié)果分析。 (3) 進行初始條件設(shè)置，先對鑄型和鑄 件進行材料設(shè)置，然后進行邊界條件設(shè)置（包括澆鑄速度、澆鑄溫度、換熱系數(shù)及鑄型