底漏式真空吸鑄成型TiAl基合金小型件工藝基礎(chǔ)研究.pdf

1、TiAl基合金具有密度低、耐高溫、抗氧化等優(yōu)點(diǎn),是具有非常好應(yīng)用前景的高溫材料。但這種材料的塑性低、切削性差,難以加工成形,因此目前TiAl基合金成型方式以鑄造方法為主。底漏式真空吸鑄是本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種新型TiAl基合金近凈成形方法,這種方法以氣體壓力驅(qū)動(dòng)TiAl熔體充型,可大幅提高TiAl熔體型能力,可以成型小型復(fù)雜鑄件。本文通過對(duì)底漏式真空吸鑄過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,詳細(xì)的研究了在氣壓作用下合金熔體的流動(dòng)規(guī)律和氣孔產(chǎn)生原因。在此

2、基礎(chǔ)上，研究了TiAl基合金在金屬模和陶瓷型殼的成型工藝。
　　以排氣閥件為例,利用Fluent軟件模擬在壓力作用下TiAl基合金熔體的充型規(guī)律,分析了影響TiAl基合金流動(dòng)的因素,并預(yù)測(cè)在吸鑄中可能出現(xiàn)的缺陷。在重力作用下,合金熔體比較平穩(wěn)地進(jìn)入鑄型,液流流動(dòng)不連續(xù);在氣體壓力作用下,液流呈噴射狀快速進(jìn)入鑄型,合金熔體液面不穩(wěn)定,在第一股金屬進(jìn)入鑄型后,氣體隨合金熔體進(jìn)入鑄型,并對(duì)已充型的液態(tài)金屬有較強(qiáng)的沖擊作用。氣體壓力越大,

3、熔池液面產(chǎn)生的凹坑越大,氣體開始進(jìn)入鑄型時(shí)間越早,坩堝內(nèi)殘余的金屬越多;吸口直徑越大,氣體越容易進(jìn)入鑄型,第一股進(jìn)入鑄型的液流越少。由于氣體沖擊的作用,頂部流體處于紊流狀態(tài);底部自由流動(dòng),是層流狀態(tài)。
　　在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上以排氣閥為驗(yàn)證件,進(jìn)行真空吸鑄驗(yàn)證試驗(yàn),來驗(yàn)證氣孔產(chǎn)生的原因,并通過優(yōu)化工藝參數(shù)來避免氣孔產(chǎn)生。排氣閥內(nèi)部存在氣孔等缺陷,氣孔按產(chǎn)生原因分為兩種:一種是卷入性氣孔,在熔煉過程中,合金熔體快速旋轉(zhuǎn),將熔煉室內(nèi)的氣

4、體卷入到金屬液內(nèi),充型時(shí)氣體隨合金熔體一起充填鑄型,因快速冷卻而無法析出,形成氣孔;另一種是由于液流不連續(xù),被后續(xù)的液流封閉在鑄型內(nèi)形成的氣孔。氣壓增加會(huì)使得較多氣體進(jìn)入鑄型,增大鑄件內(nèi)氣孔的尺寸;沒有氣壓,合金熔體容易將鑄型內(nèi)的氣體卷入鑄件內(nèi)部,形成卷氣,合理的氣體壓力為0.03MPa。增加坩堝內(nèi)金屬的質(zhì)量、減小吸口直徑的尺寸都可以減小氣孔的產(chǎn)生,本文最終采用合理的金屬質(zhì)量與吸口直徑的組合,制備出形狀完整、組織致密的排氣閥鑄件。

5、>　　本文將真空吸鑄與熔模鑄造技術(shù)結(jié)合起來,制備出小型復(fù)雜的連桿和葉片鑄件。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):模殼預(yù)熱溫度越高、熔煉電流越大,TiAl基合金熔體充填鑄型的能力越好,在底漏式真空吸鑄過程中,較為合理的模殼預(yù)熱溫度為900℃,熔煉電流為1000A;排氣孔的開設(shè)對(duì)葉片件的成型有著非常重要的影響,通過合理的選擇排氣孔位置成型出形狀完整的小型件。
　　利用能譜分析檢測(cè)真空吸鑄獲得的小型件的成分,鑄件成分基本均勻,無明顯的宏觀偏析出現(xiàn)。通過金相顯微

6、鏡、掃描電鏡等手段檢測(cè)、分析真空吸鑄獲得的小型件組織,發(fā)現(xiàn)金屬模吸鑄排氣閥的宏觀組織以等軸晶為主,鑄件表面由于激冷作用形成細(xì)晶層,尺寸在30～40μm之間,中間部位晶粒尺寸在200～300μm之間;陶瓷型殼吸鑄葉片件葉身截面處晶粒分布規(guī)律與排氣閥類似,晶粒比較粗大。金屬模吸鑄排氣閥件表面會(huì)產(chǎn)生幾微米的滲鐵層,這對(duì)鑄件組織與性能的影響不大;TiAl基合金與陶瓷型殼的發(fā)生界面反應(yīng),反應(yīng)層在20～25μm。鑄件硬度分布基本按著從表面到鑄件內(nèi)部