【正文】 節(jié)省能源。但是對于鑄件，可用于修改組織的手段是非常有限的。 圖 %Al 合金固相分數(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 可以用來提高伽瑪合金的 第 15 頁 共 34 頁 強度和抗氧化性能，目前尚不清楚， Nb 含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。 圖 21 為合金固相分數(shù)線與溫度的關(guān)系，從圖中可以清楚的看出，當溫度為 1444℃時，凝固分數(shù)為 1，也可以看出 %Al8%Nb 材料的固相線為 1444℃。 物性參數(shù)計算 ProCAST 數(shù)值模擬的直接依據(jù)是材料的物性參數(shù)，材料的物性參數(shù)直接決定著模擬結(jié)果的可靠性和準確性。網(wǎng)格越細小，網(wǎng)格數(shù)越多，模擬精度越高，但模擬時間就越長；網(wǎng)格步長越大，網(wǎng)格數(shù)越少，模擬精度越小，模擬時間越短。面網(wǎng)格劃分時特別注意是否重合面，對有重合面的一定要注意進行處理，否則后面進行體網(wǎng)格劃分時就會出現(xiàn)比較多的交叉網(wǎng)格。 第 13 頁 共 34 頁 圖 圖 33 鑄件圖 圖 34. a)為裝配后的框架圖， b)為裝配后的實物圖 造型 本課題中的三維造型是用 pro/e 進行三維造型的，鑄件的是 20mm60mm2mm 的薄板件，鑄型為高度為 80mm直徑為 24mm 的圓柱體，其中內(nèi)部去除了跟鑄件一模一樣尺寸的 長方體，正好跟鑄件組裝，冒口為圓錐形。 (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)及鑄型溫度），設(shè)置好后進入 ProCAST 進行模擬。然后將建立的鑄型跟鑄件裝配起來，裝配圖如圖 34。 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。本課題中的最終凝固溫度為600℃ ，因為 600℃ 時 TiAl早以完全凝固，設(shè)置凝固最終溫度為 600℃ 時可以縮短模擬時間，而凝固時間是指合金溶液從澆鑄溫度冷卻到 600℃ 時所用的時間，凝固分數(shù)是指在凝固過程中合金溶液中固相的分數(shù)。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。 圖 第 11 頁 共 34 頁 研究方案 本課題主要利用 procast 來進行 TiAl 基合金真空吸鑄的充型模擬和凝固過程的模擬來指導(dǎo)實踐，由于設(shè)備有限，只進行模擬，不進行試驗。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℃ 。 （ 3）由于 %Al8%Nb 材料的液相線和固相線分別為 1503℃ 和 1444℃ 。 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。但是對于鑄件，可用于修改 第 10 頁 共 34 頁 組織的手段是非常有限的。目前尚不清楚， Nb 含量達到多少時可使疲勞趨近于開裂。為了滿足設(shè)計要求，合金化是一個用來優(yōu)化不同性能的基本手段。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] 。 綜上所述，所以澆鑄過程中要選擇一定的澆鑄溫度、澆鑄速度和鑄型溫度。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。還有在真空條件下，有利于充型過程中的氣體排出，在上下壓差下，減小了在凝固過程中縮松、縮孔缺陷的產(chǎn)生。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(dǎo)致澆不足等缺陷。 本課題主要是利用 procast軟件對小薄壁型 TiAl基合金鑄件進行鑄造成型數(shù)值模擬，觀察模擬整個過程中的充型過程和溫度變化，以及調(diào)整工藝參數(shù)從而減少模擬過程中縮松、縮孔等缺陷的產(chǎn)生，從而優(yōu)化工藝。 （ 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。主要有應(yīng)力場數(shù)值模擬、充型數(shù)值模擬、縮松縮孔數(shù)值模擬。 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。 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)達國家就對 TiAl 基合金在航空航天行業(yè)進行了深入研究，尤其作為世界超級大國的美國，對 TiAl 合金的研究更早。 （ 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。 圖 11 等溫鍛造壓氣機葉片 第 7 頁 共 34 頁 真空吸鑄 金屬型底注式真空吸鑄是一種鑄造 TiAl 基合金材料新工藝技術(shù)如圖 12，可以很好地彌補 TiAl其他鑄造成型方法中的缺陷，其優(yōu)點有以下幾點： （ 1）由于合金液體在上下壓差下凝固，可以減小縮松縮孔等缺陷。這樣就能在變 形溫度較慢時進行鍛造成型。所以常常鍛造出來的零件可塑性比較差，難以鍛出比較復(fù)雜的零件，材料利用率比較低。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。離心鑄造與重力鑄造相比，鑄件更致密、充型能力更強。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。 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。但近年來開發(fā)了幾種具有良好發(fā)展前景的 TiAl 合金粉末凈形加工技術(shù)，還有 J. Moll 認為，粉末冶金技術(shù)可以減小偏析和加工周期。粉末冶金易于制造形狀比較復(fù)雜的零件而且可以節(jié)省大量的原材料，降低成本。原顆粒越小，則致密度越高，加熱速度越快則不利于提高成品致密度。 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。另外，又由于 TiAl 基合金的比模量高，可以制作隔板、渦輪葉等一下需要高強度的結(jié)構(gòu)件上。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。（ 5）改進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；還可以通過細化晶粒尺寸減小滑移帶長度，進而減小滑移面的位錯長度和位錯堆積，但會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 共 34 頁 位錯的發(fā)生，而析出雜質(zhì)第二象則會導(dǎo)致晶界脆性，所以需要控制其析出的量。（ 3）降低環(huán)境脆性。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(yīng)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，目前改善微觀組織的方法主要有五種：（ 1）完善制備工藝，設(shè)計合理的制造工藝。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。全片層組織一般組織比較粗大，室溫延展性和強度較低，降低組織尺寸可以改善。 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。中國科學(xué)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 20xx 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。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(xué)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。 15 年后，美國學(xué)家 第 4 頁 共 34 頁 教授對 TiAl 進行了深層次的研究，最后發(fā)現(xiàn) 擁有最佳性能，即第一代 TiAl基合金 。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。而當前對于 TiAl 基合金在航空航天等領(lǐng)域的使用，尤其在發(fā)動機領(lǐng)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。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。如粉末冶金、離心鑄造、熔模鑄造、機械和進化等等成型方法。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。 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 3 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