【正文】 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 28 頁(yè) 共 34 頁(yè) 過(guò)慢，造成澆不足等缺陷。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。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，葉老師當(dāng)時(shí)思考了下，立馬給我換了個(gè)課題。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期： 第 36 頁(yè) 共 34 頁(yè) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。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。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。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。對(duì)應(yīng)的縮松、縮孔面積理論上應(yīng)該減小。 第 19 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 20 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。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。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)。 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TiAl 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]。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 8 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。 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。 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。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。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 。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。隨著航天航空事業(yè)和造船業(yè)的迅猛的發(fā)展，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的 要求愈來(lái)愈高，而尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比跟不上是阻礙這些行業(yè)發(fā)展的最核心的問(wèn)題，想提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，使得其成為發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)非常的核心問(wèn)題。 TiAl 基合金的組織特點(diǎn) γTiAl 合金具優(yōu)點(diǎn)有密度低、彈性模量高、高溫強(qiáng)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。 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(lái)談?wù)勂涑尚头椒ǖ膬?yōu)缺點(diǎn) 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。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(jìn)行再加工，也使得鑄件容易偏析。 （ 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。目前尚不清楚， Nb 含量達(dá)到多少時(shí)可使疲勞趨近于開(kāi)裂。 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 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(jìn)行面網(wǎng)格劃分、體網(wǎng)格劃分，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后進(jìn)行可視化處理，進(jìn)行結(jié)果分析。 圖 %Al 合金固相分?jǐn)?shù)與溫度之間的關(guān)系 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 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 強(qiáng)度和抗氧化性能，目前尚不清楚， Nb 含量達(dá)到多少時(shí)可使疲勞趨近于開(kāi)裂。 首先對(duì)凝固分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，模擬后的凝固分?jǐn)?shù)如圖 314 由上面圖 314 中澆注溫度分別為 1550℃、 1575℃、 1600℃、 1625℃凝固分?jǐn)?shù)圖可知，澆鑄溫度越低時(shí)，澆口部位后期由于凝固原因，澆口通道越來(lái)越窄，則不利于澆口部位合金液向薄板補(bǔ)縮，薄板在后期凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生縮松、縮孔。 a) b) c) d) 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 ， 鑄型溫度為 a) 600℃、 b) 400℃、 c) 200℃、 d) 0℃ 由上面圖 318 中鑄型溫度分別為 600℃、 400℃、 200℃和 0℃圖可知，鑄型溫度為600℃時(shí)，應(yīng)力主要集中在薄板正中部，鑄型溫度為 400℃應(yīng)力集中在薄板中上部，鑄型溫度為 200℃時(shí)，整個(gè)薄板應(yīng)力比較小而且比較均勻，鑄型溫度為 0℃時(shí)應(yīng)力基本分布在薄板的底部位置，從此處應(yīng)力圖可以跟凝固分?jǐn)?shù)圖聯(lián)合起來(lái)看，彼此是相互聯(lián)系的。總而言之，在保證充型率的基礎(chǔ)上，要進(jìn)行澆鑄工藝參數(shù)優(yōu)化，選擇合適澆鑄溫度、澆鑄速度、鑄型溫度等一系列工藝參數(shù)，從而節(jié)省能源，也保證澆鑄成型的鑄件性能也比較好，最終達(dá)到雙優(yōu) 。 第 29 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 圖 第 30 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 圖 326 為薄板的組織間片層間距與組織距離薄板下部之間距離的圖，從該圖可以看出，隨著距離薄板底部距離鑄件增大，組織片層間距離也鑄件變大，距離薄板 0— 15mm這段距離中，片層間距先增大，后減小。這幾個(gè)月以來(lái)，葉老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向葉老師致以誠(chéng)摯的謝意 和崇高的敬意。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師葉喜蔥老師老師。常用細(xì)化晶粒也就所謂的細(xì)晶強(qiáng)化的方法有： (1) 增加過(guò)冷度。由圖 322 應(yīng)力圖可以看出，澆鑄速度為 ，澆鑄速度為 和澆鑄速度為 ，尤其是當(dāng)澆鑄速度為 ，應(yīng)力最大。模擬后的凝固分?jǐn)?shù)如圖 317 圖 ， 鑄型溫度為 a) 600℃、 b) 400℃、 c) 200℃、 d) 0℃ 由上面圖 317 中鑄型溫度分別為 600℃、 400℃、 200℃和 0℃圖可知，鑄型溫度越低時(shí)，冷卻速度越快，薄板底部和邊緣 部位基本同時(shí)凝固，而凝固分?jǐn)?shù)比較小的部位主要集中在澆口部位，這樣在后期凝固時(shí)就可以得到澆口部位合金液的補(bǔ)縮。 圖 %Al8%Nb 合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系 由圖 312 為 %Al8%Nb 合金的粘度與溫度之間的關(guān)系與圖 313 為 %Al合金的粘度與密度之間的關(guān)系可以看出， %Al8%Nb 合金的粘度比 %Al 合金的粘度大，然而合金液粘度越大，則充型越困難。網(wǎng)格越細(xì)小，網(wǎng)格數(shù)越多，模擬精度越高，但模擬時(shí)間就越長(zhǎng)；網(wǎng)格步長(zhǎng)越大，網(wǎng)格數(shù)越少，模擬精度越小，模擬時(shí)間越短。 圖 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 研究方案 本課題主要利用 procast 來(lái)進(jìn)行 TiAl 基合金真空吸鑄的充型模擬和凝固過(guò)程的模擬來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，由于設(shè)備有限，只進(jìn)行模擬，不進(jìn)行試驗(yàn)。 綜上所述，所以澆鑄過(guò)程中要選擇一定的澆鑄溫度、澆鑄速度和鑄型溫度。 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(dá)國(guó)家就對(duì) TiAl 基合金在航空航天行業(yè)進(jìn)行了深入研究，尤其作為世界超級(jí)大國(guó)的美國(guó)，對(duì) TiAl 合金的研究更早。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(shí)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。（ 5）改進(jìn)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(guò)細(xì)化晶粒尺寸減小滑移帶長(zhǎng)度，進(jìn)而減小滑移面的位錯(cuò)長(zhǎng)度和位錯(cuò)堆積，但會(huì)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(guò)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(yè) 共 34 頁(yè) 位錯(cuò)的發(fā)生，而析出雜質(zhì)第二象則會(huì)導(dǎo)致晶界脆性，所以需要控制其析出的量。 15 年后，美國(guó)學(xué)家 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) 教授對(duì) TiAl 進(jìn)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 。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?。粚?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。 作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文 作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 因?yàn)?TiAl 基合金熔體自身粘度大、流動(dòng)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(diǎn)，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(yùn)用到 TiAl基合金成型的方法有很多。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)熱