钛铝合金熔模铸造技术.docx

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1、TiAI基金属间化合物熔模精密铸造的讨论摘要：TiAI基金属间化合物作为一种新型轻质高温结构材料，在航空航天和 汽车等领域具有宽阔的应用前景。熔模精密铸造是当前普遍采纳的制备TiAI基 金属间化合物的方法。主要介绍了熔模精密铸造T iAl基合金的铸件以及型壳用 粘结剂及耐火材料的进呈现状,T iA 1合金的熔炼技术及最新讨论进展，并对T iA 1基金属间化合物熔模精密铸造技术的缺乏进行了分析并提出了展望。关键词：TiAI；金属间化合物；熔模铸造1前言随着现代工业的进展，低密度高强度的材料越来越受到人们的青睐，一般的 Ti合金在强度和抗氧化性能上已无法满意要求。TiAI基金属间化合物（也称TiA

2、I 合金）是一种新型轻质的高温结构材料，密度不到银基合金的50%,兼有金属和 陶瓷的性能。它们不仅具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优 异的抗氧化性等优点，而且具有优异的常温柔高温力学性能，使用温度可到达 700-1 0000这使其倍受讨论工作者的重视，成为航空航天及汽车发动机用耐 热结构件的极具竞争力的材料，具有宽阔的应用前景。目前，T iAl基金属间化合物大局部采纳铸锭冶金技术（如挤压、锻造、轧制、 板材成型）、粉末冶金技术（包括模压和挤压烧结）和熔模精密铸造等成形方法。由 于TiAI基金属间化合物室温塑性低、成形性差，所以，采纳熔模精密铸造技术 是制作TiAI基金属间化合物

3、构件最可行的方法之一，与其他方法相比，熔模精 密铸造可以一次铸成外形简单、薄壁的零件，并且铸件具有高的尺寸精度和低的 外表粗糙度川。可显著提高原材料的采用率（可达75%90%）,特殊是1970年 月末以来，热等静压技术（HIP）广泛应用于钛合金铸件，使得某些铸造缺陷得 以消退，钛合金铸件的力学性能及其稳定性得到了明显改善，促使钛合金铸件在 航空航天工业中取得了广泛的应用。本文介绍了熔模精密铸造TiAI基金属间化合物合金及铸件的最新进展，型 壳用粘结剂及耐火材料的进呈现状，TiAI基金属间化合物合金的熔炼技术，并 对TiAI基金属间化合物熔模精密铸造技术提出了今后的展望。参考文献1 Liu Ji

4、an（刘剑），Yang Yi（杨屹），Lu Dong（卢东基）于ProCAST真空条件下 钛合金熔模铸造的探究JFoundry（铸造），2022, 57（11）:1 155-1 158.2 Edard A Loria, QuoV adis.G amm a T itan ium AluminideJIntermeta Ilies, 2001, 9（12）:997-1 00 1.3刘自成，林均品，陈国良.添加W对高银TiAl合金组织和力学性能的 影响.材料热处理学报:V ol.22, No.l, March 20014李书江，王明丽，林均品，林志，陈国良.微量C, B对高铝钛铝合金 显微组织与力学

5、性能的影响.稀有金属材料与工程：VoL33, No.2, February 20045 Feng Di（冯涤），Luo Heli（骆合力），Zou D unxu（邹敦叙），etal.冷用烟感应 悬浮熔炼技术JJournal of Iron and Steel Research（钢铁讨论学报），1994, 6（4）:24-30.6 Chen Yuyong（陈玉勇），Kong Tao（孔凡涛）.TAil基金属间化合物新材料讨 论及精密成形J.Acta M etallurgica Sinica（金属学报）,2 002, 38（11）:1 141-1 148.7 陈玉勇，陈艳飞，田竟，孔凡涛，肖树龙，

6、徐丽娟. TiAl基合金熔模精 密铸造技术的进呈现状.稀有金属材料与工程：V 01.38, No.3, March 20228 Toshimitsu Tetsui.Mater Sci EngJ, 2002, A329331, 5829 李飞，王飞，陈光，万柏方，戴炎麟，陆敏.熔模精密铸造T iAl基金属 间化合物讨论进展.中国材料进展：第29卷第2期，202210 阎峰云，陈基东，马孝斌.钛合金熔模铸造技术.中国铸造装备与技术， 202211 王琛，毛小南，于兰兰，高平.钛合金熔炼技术的进展.金属铸锻焊技 术：Vol.38,No.l7, 20222熔模铸造T iA 1基合金的讨论进展TiA 1

7、基金属间化合物的进呈现状TiAl基金属间化合物是当今金属间化合物讨论领域的最热点。在TiAl基合 金的应用讨论方面，美、日和西欧等兴旺我国都做了大量的讨论工作。美国Pratt hitney Aircraft试验室、GE公司、Howmet公司、德国GK SS讨论所、汉堡高校、 亚琛工业高校、英国伯明翰高校、欧洲ABB公司、奥地利Plansee公司、日本 HII公司、京都高校、日本东北高校和川崎重工业株式会社等多家单位开展了 TiAl 基金属间化合物的讨论，并胜利地使其得到应用。目前工程用TiAl基金属间化合物已形成两个不同使用温度的级别，高TiAl 基金属间化合物(高NbTiAl合金)和一般Ti

8、Al基金属间化合物，基础合金成分主 要差异是在Nb含量上。高Nb合金由于具有良好的高温强度和抗氧化力量，较 一般TiAl基金属间化合物有更宽阔的应用前景,含(510)Nb的TiA 1基金属间化 合物被认为具有良好的综合性能。少量多元和多量少元是目前合金化的两个趋势, 即通过高合金化(如高Nb, V, Cr和Mn)引入少量高温相和添加少量的C, B 和Re等改善组织及性能。Chen G.L等人讨论说明，当Nb含量高于5%(摩尔分数)时，强化效果特别 明显。Ti与Nb的原子尺寸相差很小，仅为0.2%。用原子定位沟道增加显微分 析(ALCHEMI)确定原子占位结果说明，Nb单独占据了 Ti的亚点阵。

9、Nb的加 入降低了 0/a相转变温度，缩小了 a相区。这种相稳定性的转变使材料的组织发 生明显细化，这对提高材料的屈服强度是特别重要的。高铝合金中存在大量的李 晶，被认为是Nb的加入转变了层错能的原因。可以推想，在含Nb合金中李晶 活动的增加有益于材料在低温下的塑性变形，由于这弥补了 TiAl合金在相应的 应力下缺乏独立滑移体系的缺陷。B作为一种益于晶粒细化和削减凝固偏析的合 金元素，在锻造合金中的添加量要略微少于在铸造合金中的添加量。W通过固 溶强化，而C通过沉淀强化，都可显著提高高温强度和蠕变变形抗力。据此， 高铝TiAl高温合金的设计成分范围为Ti-A14546-Nb69-( W, Mn

10、, Hf)x-(C, B)y-(Y, RE)Zo目前，合金成分化讨论尚没有完善，仍需要做大量的工作。2.1 熔炼技术的最新讨论动态TiAl基金属间化合物在高温时具有高的化学活性，其熔炼过程中存在很多 困难，比方合金元素熔炼过程反响热高，对间隙元素敏感性高,合金元素含量高， 合金成分容错度小，合金中各元素物性差异大，性能对组织敏感性高等。目前已 有3种冶金熔炼方法被胜利地应用于TiAl基金属间化合物的生产：凝壳感应熔 炼(Induction SkullMelting)真空电弧熔炼(Vacuum A rcMelting)和等离子束熔炼 (PlasmaMelting)o 3种熔炼方法都采纳了真空及水

11、冷用烟技术。但这些方法熔炼 TiAl基金属间化合物均有所缺乏，如所形成的熔池较浅，熔体温度难以维持，这 对成分精确度和匀称性要求较高的TiAl基金属间化合物构成不利影响。电磁冷用竭悬浮熔炼技术是将分瓣的水冷铜用烟置于交变电磁场内，采用交 变电磁场产生的涡流热熔化金属，并依靠电磁力使金属熔体与坦蜗壁保持软接触 或者非接触状态，并对炉料进行感应熔炼或者成形的技术。该技术充分采用了电 磁场和金属相互作用的热效应和力效应，具有很多优点：金属在水冷铜珀期中悬 浮或软接触，可以使金属没有污染地熔化；感应加热可以熔化高熔点的金属；电 磁力的剧烈搅拌使熔体组织成分匀称；适用范围广，可以熔炼不同成分的合金和 材

12、料；高温熔体对冷生竭无实质性腐蚀，使用寿命长。1970年英国胜利地进行了感应悬浮熔炼的试验，并申请了专利；1980年美 国硅铁uriron)公司将感应悬浮熔炼推向了工业化生产。近年来，悬浮熔炼方法 倍受青睐，在美国、俄罗斯、德国、日本、法国等先进我国进展起来。日本大同 特殊钢公司和法国的TARAMM公司将悬浮熔炼与真空吸铸法、真空压铸法以及 离心铸造工艺相结合，生产出了铸件壁厚最小可达0.5 mm、外形轮廓特别好的 铸件。日本大同特殊钢公司开发出的LEV ICAST技术,可以熔炼出高质量的TiAl 基金属间化合物，并用于大规模生产。目前需要研制熔化力量更大、熔炼时间短 的大型熔炼炉，进一步提高

13、金属采用率，降低熔炼本钱。国内目前应用最多的还是电弧炉和电子束炉。钢铁讨论总院在863高技术项 目资助下，自行开发研制了珀期容量为0. 6 L的冷用烟真空感应悬浮熔炼炉。 哈尔滨工业高校从德国ALD公司引进的水冷铜省土区真空感应熔炼炉，具有20 世纪90年月世界先进水平。采用该熔化炉熔炼TiAl基金属间化合物时，熔体温度易于掌握，合金成分匀称、精确，间隙元素含量低( Gd2O3等，该材料较纯 丫2。3廉价了很多，是一种较为抱负的铸钛耐火材料。CaO具有价格低廉和与熔 融钛化学稳定性好的特点始终倍受青睐，可是其工艺性不好，简单吸潮，阻碍了 它的应用。用CaCCh作为铸型材料，铸型经1000C焙烧

14、后，使CaCCh转化为 CaO,并在700800下浇注钛合金，可以有效地避开CaO的吸潮。无论是CaO 或碳酸钙用作铸型材料，都要经过预先的除杂处理。Richerson的讨论以Y2O3为 主，混以少量稀有重金属氧化物制成陶瓷用锅和铸型。这种方法比拟胜利，但是 存在着工艺反复、成分简单、高费用的缺点。LaSalle介绍了采纳碳酸钙预制涂 料浆制备氧化钙面层涂料，LaSalle已使用这种型壳浇注出涡轮增压器的转子。3.1.2.3 金属材料在钛合金铸造领域中，金属型也占有肯定的地位，用作铸型的金属材料主要 有铜、钢、铸铁等，与石墨加工型一起统称为硬模系统口口。由于存在着工艺上的 分型等难点，这种方法

15、很难制造出简单外形的钛铸件，而大多只在特定的铸件上 使用。铸铁型价格廉价，浇注出的钛铸件外表质量良好，但铸铁型在使用中易挠 曲变形，甚至裂开，寿命不如钢或铜。假设在金属型内喷涂涂料，寿命还可延长, 此类铸件的粗糙度稍低于石墨加工型。另一类金属材料即鸨、铝、留、锡等难熔 金属粉，此类材料熔点高，与熔融钛接触时化学稳定性好，常用于钛合金熔模精 铸的面层涂料。目前，常用的方法是鸨面层熔模精铸方法，但生产出的铸件外表 会粘结局部难熔金属粉，需进行碱洗处理；金属面层的热导性也很高，铸件易消 失冷隔缺陷。此类铸件外表粗糙度Ra为6,尺寸精度可达铸钢件水平。Basche 用鸨的化合物渗透一般的陶瓷型壳，然后

16、在还原性气氛下，如氢气状态中焙烧, 将鸨的化合物还原，生成鸨和鸨的氧化物,这样就在耐火材料外表包覆了一层鸨。 这种型壳从肯定程度上削减了钛的反响其它材料前人对一些碳化物、硼化物、硅化物和硫化物也作了大量讨论。典型的物 质包括：TiC、ZrC、Cr3C2 TiB2 M0B2、CrB2 TaB2 MoSi2 CeS。局部碳化 物（ZrC、Cr3C2）与钛形成低熔点的共晶相。组成物质的任一组元假设能与钛形成 低熔点相，那么该物质就不行避开地会与液钛发生不同程度的化学反响。只有 TiC和CeS表现出与钛的弱反响性。4存在的问题及展望我们我国在TiAl基金属间化合物熔模精密铸造方面取得了肯定的成果，但

17、仍存在以下几个问题丞待解决：熔融TiAl基合金化学活泼性高，精铸过程易 与型壳发生反响，形成外表脆性层，且国外粘结剂技术实行了保密措施，这就要 求必需自力更生研制适于精铸TiAl基金属间化合物的粘结剂，制备出具有良好 化学稳定性的型壳，深化分析并最终解决型壳与铸件之间的严峻反响问题； TiAl基金属间化合物本身是一种金属间化合物，密度低，浇注时静压头小，TiAl 基金属间化合物凝固收缩较大，铸件易产生裂纹，作用力过大时会直接断裂，一 次成形率较低。因此需讨论粉料粒形、粒度、级配、加入帮助添加剂等不同制壳 工艺，以期将型壳退让性调整到适于精铸TiAl基合金；TiAl基金属间化合物 的室温脆性是阻碍其通向有用的瓶颈。较好的铸态组织，既是铸态合金本身的需 要，也是热机械加工的基础。铸态组织较粗大，需进行适当的合金化、加入晶粒 细化剂、热处理等来调整铸态组织，以便得到最优的力学性能。