小型薄壁TiAl基合金件底注式真空吸鑄技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、由于TiAl合金有許多突出的特點，其發(fā)展受到世人的關(guān)注和重視。TiAl合金的密度低，高的比強度和比彈性模量，在高溫時仍可以保持足夠高的強度和剛度，同時它還具有良好的抗蠕變及抗氧化的能力。由于TiAl基合金室溫延性差，難以加工成形，研究者將目光集中在TiAl基合金鑄造近凈成形技術(shù)上，目前TiAl基合金的鑄造成形技術(shù)有熔模鑄造、反重力低壓鑄造、離心鑄造等，但是這些鑄造方法在成形小型薄壁TiAl基合金件時效率較低。因此，TiAl基合金薄壁葉片

2、一般采用精鍛件，但是這類薄壁葉片加工存在較大的變形問題，精加工余量采用手工拋光來去除，并靠截面樣板來保證葉片氣動形狀，影響發(fā)動機的氣動性能。
　　本文提出了一種新的TiAl基合金近凈成形鑄造方法-底注式真空吸鑄，通過對底注式真空吸鑄過程的數(shù)值模擬和實驗驗證，詳細研究了金屬型底注式真空吸鑄的充型和凝固規(guī)律。在此基礎(chǔ)上研究了底注式真空吸鑄 TiAl基合金小型薄壁件的組織特征。底注式真空吸鑄技術(shù)是將 TiAl基合金在水冷坩堝中熔化，熔化

3、了的合金通過坩堝底部的吸口充入到真空室金屬鑄型中凝固的近凈成形鑄造技術(shù)。底注式真空吸鑄過程中，TiAl合金液是在真空條件下充型凝固的，克服了氧化物的形成，合金液在上下氣體壓差和自身重力的同向耦合下充型，充型動力大，即使在較小的過熱度下也可成形小型薄壁件，利用金屬鑄型還可以獲得細小的組織、減弱界面反應(yīng)。
　　吸口直徑對底注式真空吸鑄過程 TiAl基合金熔體的流動行為產(chǎn)生很大的影響(型腔寬20mm，厚2mm，長60mm)：當吸口直徑為

4、2mm時，合金熔體到達鑄型底部后進行反向充填，在鑄型的底部出現(xiàn)反向充填區(qū)，隨著吸口直徑的增大，反向充填區(qū)從底部向上部移動，當吸口直徑為4mm時，反向充填區(qū)消失。影響流動產(chǎn)生這種行為的主要原因是由于吸口直徑改變了合金液的最大射流寬度，隨著吸口直徑的增大，合金液的最大射流寬度增大。研究了吸口直徑、澆注溫度、澆注速度、鑄型溫度、換熱系數(shù)和合金元素對充填率的影響：吸口直徑和充填率呈線性關(guān)系；澆注溫度的提高有利于充填率的提高；當澆注速度小于2m/

5、s時，澆注速度和充填率成線性關(guān)系；鑄型溫度的提高也有利于充填率的提高；大的換熱系數(shù)鑄型使充填率降低；添加使TiAl基合金熔點提高、粘度增加的合金元素，不利于熔體的充型。適當?shù)碾娏鲝姸群碗姌O高度有利于減少鑄件中氣孔缺陷。
　　研究了工藝參數(shù)對凝固時間和凝固分數(shù)的影響：澆注溫度的提高使?jié)部诓课坏暮辖鹨耗虝r間延長，金屬液前端臨界凝固分數(shù)減少，有利于葉片隼部的補縮；吸口直徑的增大、鑄型溫度的提高，有利于葉片隼部合金液在澆口部位的合金液后

6、凝固，使葉片隼部的凝固封閉區(qū)減少，有利于葉片隼部的補縮；澆注速度的提高使葉片隼部的凝固封閉區(qū)先變小后增大，其臨界速度為1m/s，當澆注速度小于1m/s時，有利于葉片隼部的補縮。確定了底注式真空吸鑄TiAl基合金的局部凝固收縮率1.55％為縮孔，實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合。吸口直徑對底注式真空吸鑄TiAl基合金構(gòu)件的縮孔影響最大，澆注溫度次之，隨著吸口直徑的增大，澆注溫度的提高，葉片隼部的縮孔減少。澆注溫度的提高有利于應(yīng)力的消除；吸口直徑

7、的增大，使葉片葉身部位的應(yīng)力減少；鑄型溫度和澆注速度的提高，有利于葉片整體應(yīng)力的減少；大的換熱系數(shù)的鑄型，使葉片的應(yīng)力集中加劇。
　　利用綜合優(yōu)化工藝參數(shù)圖獲得了充型完整且無宏觀縮孔的薄壁鑄件。研究了TiAl基合金薄板鑄件、葉片鑄件的組織特征。Ti-47Al合金薄板鑄件晶粒尺寸和距底部距離有關(guān)，鑄件底部的晶粒最小，隨著距底部距離的增大，晶粒增大，鑄件整個橫截面全是等軸晶。Ti-47Al合金葉片鑄件內(nèi)部的晶粒也隨著距底部距離的增大而

8、增大，在距底部距離20mm處，葉片鑄件的橫截面從等軸晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變，柱狀晶的尺寸也隨距底部距離的增大而變大。無論是薄板鑄件還是葉片鑄件，層片間距隨距底部距離的增大而增大。和離心鑄造對比，底注式真空吸鑄得到的TiAl基合金組織偏析少，晶粒尺寸小，且晶粒尺寸分布均勻，無界面反應(yīng)。W元素的添加細化了Ti-47Al合金的一次、二次枝晶臂；B、Si元素的添加，在Ti-47Al合金中生成第二相，形成的第二相主要分布在晶界處，阻礙晶粒的長大，從而細化