【正文】 ....... 26 澆鑄速度對充型的影響 ......................................... 28 數(shù)值模擬確定的充型影響從而控制優(yōu)化工藝參數(shù) ........................ 30 模擬后的薄板組織 .................................................. 31 致謝 ..................................................................... 35 參考文獻 ................................................................ 36 第 4 頁 共 34 頁 真空吸鑄 TiAl 基合金亞快速凝固行為研究 【 摘要 】 ： TiAl 合金具有的優(yōu)點有密度低、彈性模量高、高溫強度高、抗蠕變性能高好、高溫抗氧化性能強，是飛機發(fā)動機和火箭動力系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構材料中的候選材料之一。The mold temperature was 600℃ , 400℃ , 200℃ and 0℃ are simulated and analyzed, The best overall performance finally found is mold temperature at 200℃ 。德國學者 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。國內(nèi)在 TiAl 合金的研究起步比較晚，沒有歐美起步早。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，通常含有少量的細小 α相顆粒在γ晶界 [9]。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。其缺點是在燒結(jié)的時候容易造成體積膨脹，導致成品致密度不高，合金組織均勻性差。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。如圖 11 等溫鍛造下的壓氣機葉片。鑄造成型數(shù)值模擬技術可以預測實際過程中工作人員在鑄造成型時鑄件可能產(chǎn)生的缺陷、產(chǎn)生的 時間、缺陷的大小及缺陷的部位，從而進行優(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。由于金屬液活性較大，而型腔真空度比較高，避免了金屬液的氧化。航空發(fā)動機的應用需要仔細評估和改善伽瑪鋁化物許多方面的特性，包括疲勞， 韌性和蠕變 [13]。 （ 2）鑄件材料為 %Al8%Nb，鑄型材料為冷鐵 H13。利用凝固分數(shù)及凝固時間來考察 TiAl 基合金在真空吸鑄過程中的凝固特性。 (4) 模擬完成后進入可視化結(jié)果分析。材料的熱物性參數(shù)直接決定著溫度場模擬的準確性，只有材料飛熱物性參數(shù)非常精確，模擬出來的溫度場才與實際才更加相近。如果在相同溫度情況下進行澆鑄時 %Al8%Nb 合金的過冷度大，金屬液流動性好，有利于充型。為了探究澆鑄溫度對鑄造成型的全過程的影響，選取的澆鑄速度為 ，換熱系數(shù)為1000w/m2k，鑄型溫度初步選取 600℃。當澆鑄溫度為 1550℃和 1575℃時，薄板只有中部凝固分數(shù)比較小，其余基本完全凝固，并且面積也不是很大，而澆鑄溫度為 1600℃和 1625℃很明顯薄板中部凝固分數(shù)比較小的面積明顯較前兩種大 ，尤其是澆鑄溫度為 1625℃時，中部還有一大片凝固分數(shù)非常小的區(qū)域，很明顯在后期凝固過程中，交口處合金液得不到補縮，四周凝固收縮，就會造成應力就非常大，由圖也可以明顯的反映出來，在下方有黃色區(qū)域，由對比卡可知，此處應力更大。理想中的冷卻趨勢是從底部逐漸凝固，澆口部位最后凝固，如果這樣的話，合金液在凝固過程中就能得到補縮，縮松、縮孔將減少。鑄型溫度為 0℃時，縮松、縮孔比較分散，雖然面積不大，但對薄板件的整體性能會有很大影響。理論上澆鑄溫度越高，合金液流動性越強，雖然有利于充型，但澆鑄溫度太高，會造成粘砂，縮松、縮孔，熱烈，局部氧化，反應氣孔偏多等危害。組織越粗大，相應的晶粒越大。 (2) 變質(zhì)處理也稱調(diào)質(zhì)處理：即在金屬液結(jié)晶前，向金屬液中加入某些物質(zhì)（稱為變質(zhì)劑），這些物質(zhì)將分散在金屬液中，形成大量的非自發(fā)形核界面，或起阻礙晶體長大的作用，從而使得晶粒組織比較小，這種細化晶粒的方法，稱為變質(zhì)處理。 第 34 頁 共 34 頁 圖 總結(jié)，從圖 32圖 32圖 326 和圖 327 這四幅圖很容易看出，晶粒尺寸隨著組織距離薄板底部的距 離增大而普遍增大，片層間距也隨著組織距離薄板底部的距離增大而普遍增大。每次遇到難題，我最先做的就是向葉喜蔥老師尋求幫助，而葉老 師每次不管忙或閑，總會抽空來找我面談，或說定時間讓我去找他，然后教我如何解決。畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新、生活的開始。ll hold off jogging for a while. But if I really want to get away from work, I39。s work can be a way to unwind. It is true for He Wenjun, whose workplace is right near the forest park. She discovered her athletic aptitude at the age of seven, when she began playing tennis. Then she turned to jogging, and she has persevered with it for 10 years. I e to jog almost every day after work, whenever I have time. I think jogging is good for my health. And for me, a girl, it helps me to achieve to eternal goal, to keep slim, He said. He says she prefers jogging alone, so she can focus better. She loves jogging, even during Beijing39。 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。做設計的過程是艱辛的，但是在我的努力之下還是完成了。 圖 327 為晶粒尺寸與晶粒距離薄板底部距離的大小的圖。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。 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。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。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。對應的縮松、縮孔面積理論上應該減小。從此可以看出，并不是澆鑄溫度越高越好，應選擇更好澆鑄溫度。 第 22 頁 共 34 頁 圖 %Al 合金的導熱系數(shù)與溫度之間的關系 圖 %Al8%Nb 合金的粘度與溫度之間的關系 第 23 頁 共 34 頁 圖 313 .%Al 合金的粘度與密度之間的關系 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。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。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)格步長設大一點，這樣就可以縮短模擬時間。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。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)。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。 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]。 第 12 頁 共 34 頁 第二章 研究方法及參數(shù)設置 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。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)構材料中的候選材料之一，深受從事高溫結(jié)構材料研發(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。 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。 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，鑄造技術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。 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。 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。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。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。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。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，可行性加工困難等，從而限制了 TiAl 合金的應用。 The casting speed of , analyzed, Finally 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)構材料中的候選材料之一 [13]。而當前對于 TiAl 基合金在航空航天等領域的使用，尤其在發(fā)動機領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。中國科學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 2021 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。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