本科毕业论文真空吸铸tial基合金亚快速凝固行为的研究正文.docx

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本科毕业论文真空吸铸tial基合金亚快速凝固行为的研究正文

毕业设计（论文）

题目真空吸铸TiAl基合金亚快速凝固行为的研究

（1）论文原创性声明和版权使用授权书

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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作者签名：

年月日

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作者签名：

年月日

导师签名：

年月日

目录

摘要1

第一章绪论3

1.1课题的目的及意义3

1.2TiAl基合金的研究现状3

1.2.1TiAl基合金的研究进展3

1.2.2TiAl基合金的组织特点4

1.2.3TiAl基合金的应用5

1.3TiAl基合金的成型技术5

1.3.1粉末冶金5

1.3.2铸造冶金5

1.3.3锻造成型6

1.3.4真空吸铸7

1.4精密铸造小型薄壁TiAl合金件的应用前景7

1.5铸造过程中的数值模拟8

1.6主要研究内容8

第二章研究方法及参数设置9

2.1真空吸铸过程分析9

2.2实验材料及模拟参数选取9

2.2.1实验材料选取9

2.2.2模拟参数选取10

2.3研究方案11

第三章真空吸铸TiAl基合金熔体充型规律12

3.1数值模拟流程12

3.1.1造型13

3.1.2网格划分14

3.2物性参数计算14

3.2工艺参数对充型影响的数值模拟20

3．2.1浇铸温度对充型的影响20

3.2.2铸型温度对充型的影响23

3.2.3浇铸速度对充型的影响25

3.3数值模拟确定的充型影响从而控制优化工艺参数27

3.4模拟后的薄板组织28

致谢32

参考文献33

真空吸铸TiAl基合金亚快速凝固行为研究

学生：

熊凌云

指导老师：

叶喜葱

三峡大学机械与动力学院

【摘要】：

TiAl合金具有的优点有密度低、弹性模量高、高温强度高、抗蠕变性能高好、高温抗氧化性能强，是飞机发动机和火箭动力系统所用的新一代高温结构材料中的候选材料之一。

但由于其缺点有室温脆性较大，延展性差，可行性加工困难等，从而限制了TiAl合金的应用。

随着时代的发展，计算机技术逐步应用于铸造领域，铸造成型数值模拟技术可以预测工作人员在铸造成型时铸件可能产生的缺陷、缺陷产生的时间、缺陷的大小及缺陷的部位，从而优化铸造成型工艺，确保铸件质量，进而降低生产成本。

本课题主要使用ProCAST软件对TiAl合金进行铸造模拟，并对模拟后的数据进行分析，从而来优化工艺参数。

对不同的浇铸温度，浇铸速度和铸型温度进行模拟，并对模拟后的凝固分数，应力，缩松、缩孔进行分析。

对浇铸温度分别为1550℃、1575℃、1600℃、1625℃进行模拟，结果发现浇铸温度1550℃时，铸件缩松、缩孔缺陷最小；对铸型温度分别为600℃、400℃、200℃和0℃进行模拟分析，最后发现铸型温度为200℃时总体性能最好；对浇铸速度分别为2.4m/s、1.6m/s和0.8m/s进行模拟分析，最后发现0.8m/s时缩松、缩孔缺陷最小。

最后结论是当浇铸温度为1550℃、铸型温度为200℃、浇铸速度为0.8m/s时浇铸最好。

关键词：

TiAl合金；铸造成型；ProCAST模拟；数据分析

【Abstract】：

TheadvantageofgammaTiAl-basedalloysin lowdensity,specificmodulus,specifichightemperaturestrength,creepresistanceandoxidationresistancemakesthembecame oneofanewgenerationof hightemperaturestructuralmaterials used in aircraftengineand rocketpropulsion.Butthereasonofthe disadvantagesof roomtemperature brittleness, poorductility, feasibilityofprocessingdifficulties, whichlimitstheapplicationof TiAlalloy.Withthedevelopmentofthesociety, computertechnologyhasbeengradually appliedtothe fieldofcasting,Forming numericalsimulationcansimulation staff inthecastingprocessofthecastingdefects, thepossibletime, andpredictethedefectsinthepartsofthecasting, soastooptimizethe castingprocess, ensurethecastingquality, reducethecostofproduction.Thistaskmainly usetheProCAST software tosimulationTiAlalloy castingprocess, andanalysisofthesimulation data, thustooptimizethe processparameters.The differentofcasting temperature ,castingspeedandmoldtemperatureweresimulated,andaftersimulation, analysisthestressofsolidification, shrinkageandshrinkage .1550℃,1575℃,1600℃and1625℃ofthecastingtemperatureissimulatedrespectively,Theresultsshowedthatwhenthecastingtemperaturewas1550℃,theshrinkageporosityandshrinkageporosityofthecastingwereminimum.;Themoldtemperaturewas600℃,400℃,200℃and0℃aresimulatedandanalyzed,Thebestoverallperformancefinallyfoundismoldtemperatureat200℃;Thecastingspeedof0.8m/s,1.6m/sand2.4m/sweresimulatedandanalyzed,Finallyfoundtheshrinkageandshrinkagedefectsoftheminimumiscastingspeedof0.8m/s.Thefinalconclusionisthatwhenthemoldtemperatureis200℃,thecastingtemperatureis1550℃andthecastingspeedis0.8m/s,thecastingisbest.

Keywords:

TiAlalloy；castingmolding；ProCASTsimulation；analysis

第一章绪论

1.1课题的目的及意义

γ-TiAl合金具优点有密度低、弹性模量高、高温强度高、抗蠕变性能、高温抗氧化性能，是飞机发动机和火箭推进系统所用的新一代高温结构材料中的候选材料之一[1-3]。

但由于其缺点有室温脆性较大，延展性差，可行性加工困难，从而限制了TiAl合金的应用。

随着航天航空事业和造船业的迅猛的发展，对于发动机的要求愈来愈高，而尤其是发动机的推重比跟不上是阻碍这些行业发展的最核心的问题，想提高发动机的性能，最主要是提高叶片的性能，而TiAl合金的密度低等这些优点，使得其成为发动机叶片的首选材料之一，但是由于TiAl基合金的室温塑性差，加工成型能力不足，使得TiAl基合金的发展受到阻碍，所以TiAl基合金材料的制备是一个非常的核心问题。

因为TiAl基合金熔体自身粘度大、流动性差、且在高温条件下轻易和其他物质发生化学反应的这些缺点，使得TiAl基合金成型尤其艰难，于是很多研究工作者尝试不同的成型方法，目前运用到TiAl基合金成型的方法有很多。

如粉末冶金、离心铸造、熔模铸造、机械和进化等等成型方法。

然而由于TiAl基合金自身熔体流动性差、高温易于其他物质产生化学反应、粘度大等特征，使得TiAl基合金熔体本身铸造性能差，铸造出来的组织往往组织粗大、偏析严重，所以要想获得良好的铸件，尤其是薄壁铸件更为艰难。

在对TiAl基排气阀离心铸造技术的研究中，K.Liu[4]提出，TiAl基合金的合金液的温度越高，则浇铸时金属液过热度越高，则充填率越好，当合金的过热度达到180℃，铸件充型尤为良好。

德国学者A.Choudhury和及M.Blum研究发现[5]，铸型加热到1000℃才可以防止铸件中缩孔缺陷的发生。

而当前对于TiAl基合金在航空航天等领域的使用，尤其在发动机领域的使用更注重于薄壁铸件，而对于TiAl基合金的薄壁铸件铸造又由为困难，所以本课题采用另一种成型方法即真空吸住的亚快速凝固行为的研究，想突破传统的铸造成型困难的问题，从而获得良好的TiAl基合金的薄壁铸件。

而本课题采用真空吸铸的方法，可以很好的弥补其他成型的缺陷

1.2TiAl基合金的研究现状

1.2.1TiAl基合金的研究进展

由于TiAl合金具有的优点有：

合金密度低、弹性模量高、高温强度高、高温抗氧化性能高等许多突出的优点，使得TiAl基合金受到国内外广大学者的关注，并把TiAl基合金作为下一代新型轻质高温结构材料。

早在上世纪80年代以来，TiAl基合金就引起了国内外广大科研工作者的注意。

早在1950年，就有美国科学家对TiAl基合金的性能进行了研究，结果发现TiAl基合金的温室塑性太差，而放弃研究。

15年后，美国学家M.Blackburn教授对TiAl进行了深层次的研究，最后发现Ti-48Al-1V-0.3C拥有最佳性能，即第一代TiAl基合金。

直至80年代末，美国科学家又开发了二代TiAl合金，并经过多次试验，证明了二代TiAl合金具有优良的综合性能。

接着后来，TiAl基合金不断的被人类研究开发，其强大的优良性能也不断的展现出来，引起了很多学者的不断研究的兴趣，也促进了航空航天也、造船业、医疗器具制造业的发展，逐步出现三代、四代TiAl基合金。

国内在TiAl合金的研究起步比较晚，没有欧美起步早。

中国科学院金属腐蚀与防护研究所唐兆麟等[6.7]在1997年通过实验研究发现，在一定条件下通过添加Cr元素TiAl将会具有特别好的防氧化效果，到2000年西北有色金属研究所发现Al元素的波动对其高温氧化行为具有影响。

到2007年，北京科技大学张宁等通过实验发现适当添加Y元素可以提高高铌TiAl合金的高温长期抗氧化性，还可以起到细晶强化的作用，使外层晶粒细小从而形成致密的氧化膜，阻止进一步氧化。

1.2.2TiAl基合金的组织特点

γ-TiAl合金具优点有密度低、弹性模量高、高温强度高、高温抗氧化性能、抗蠕变性能，TiAl基金属间化合物较Ti3Al及Ti合金有显著的优越高温性能[8]，TiAl基合金的合金成分、晶粒大小、加工方法决定其室温拉伸性能。

一般来说，经过热处理TiAl基合金可以获得四种组织：

全片层组织、近片层组织、双态组织、近γ组织。

全片层组织一般组织比较粗大，室温延展性和强度较低，降低组织尺寸可以改善。

近片层组织（NL），在刚低于T温度不远的γ/α2两相区进行热处理，经炉冷或空冷就可以得到γ/α2片层团和小量分布于层片团间的等轴γ晶粒组成的近全片层组织。

双态组织（DP），在两相体积分数大约相称的温度，约Tα-60℃，γ+α两相区进行热处理，经炉冷或空冷可以获得γ/α2片层团，最终获得等轴γ晶粒和γ/α2层片团组织。

近γ组织（NG），在刚高于共析温度的γ+α两相区进行热处理，得到基本都是由等轴γ晶粒所组成的组织，通常含有少量的细小α相颗粒在γ晶界[9]。

由于TiAl室温塑性低一直是阻碍其发展的主要因素，为了使TiAl得到良好的应用，必须解决其室温塑性低的问题，然而可以通过改变TiAl的组织进而来改变TiAl的温室塑性，经过科研人员的大量实验表明，控制TiAl的微观组织可以提高TiAl的温室塑性，目前改善微观组织的方法主要有五种：

（1）完善制备工艺，设计合理的制造工艺。

（2）合金化及微合金化。

（3）降低环境脆性。

（4）在基体中参加塑性纤维或加入塑性粒子。

（5）改进微观组织可以采用双相显微组织，而双态组织拥有良好的室温塑性，但断裂韧性和抗蠕变性能较差；还可以通过细化晶粒尺寸减小滑移带长度，进而减小滑移面的位错长度和位错堆积，但会造成滑移面交截处和晶界的应力集中，容易形成裂纹；还可以通过控制晶界杂质析出和控制板条间距，由于晶界杂质第二象可以阻碍位错的发生，而析出杂质第二象则会导致晶界脆性，所以需要控制其析出的量。

1.2.3TiAl基合金的应用

随着人们对TiAl合金的不断研发与探究，TiAl合金的潜在价值逐渐被人们所关注，应用范围也不断的被拓宽，研发的科研人员目光更注重TiAl的实际应用，TiAl基合金密度低，作为减重材料，来代替镍基合金，更优于镍基合金。

而航空和发动机部件迫切需求减重材料，于是TiAl基合金腾空出世，广泛被采用。

由于TiAl合金的密度比较小，可以用与空行航天这些急需减重的高科技行业，还可以用来制造汽车的发动机，制作一些发动机的部件，例如，用来制造汽车的排气阀，从而使得汽车的排气阀质量减轻，进而减少噪音，改进发动机性能。

另外，又由于TiAl基合金的比模量高，可以制作隔板、涡轮叶等一下需要高强度的结构件上。

TiAl还有优点如：

该合金在600—750℃之间具有良好的抗蠕变性能，部分可以用来取代镍基合金。

1.3TiAl基合金的成型技术

目前TiAl的成型方法主要有锻造、粉末冶金和铸造的方法，下面分别来谈谈其成型方法的优缺点

1.3.1粉末冶金

TiAl基合金塑性差，加工极为困难，利用粉末冶金可以得到成型的TiAl基合金零件，得到的组织也比铸锭冶金的组织细小、均匀。

当我们选用粉末冶金技术时，首先得制备出纯度、粒度符合要求的TiAl合金粉末，并且再经过模压、挤压、烧结等技术处理手段才能是TiAl合金成行，而在粉末冶金成行方法得到的成品致密程度是限制粉末冶金使用的主要因素，致密度往往与TiAl合金的成分、颗粒大小、烧结时间、烧结温度及加热速度有关。

原颗粒越小，则致密度越高，加热速度越快则不利于提高成品致密度。

在粉末冶金时间隙杂质以及致密度问题制约了该方法的应用，但通过纯化粉末的方法使得该方法得到改善和提高。

粉末冶金易于制造形状比较复杂的零件而且可以节省大量的原材料，降低成本。

其缺点是在烧结的时候容易造成体积膨胀，导致成品致密度不高，合金组织均匀性差。

但近年来开发了几种具有良好发展前景的TiAl合金粉末净形加工技术，还有J.Moll认为，粉末冶金技术可以减小偏析和加工周期。

所以粉末冶金总体来说还是处于蓬勃的良好的发展势头。

1.3.2铸造冶金

目前应用于TiAl基合金的铸造成型方法主要有熔模铸造、离心铸造、反重力低压铸造。

熔模铸造成本比较低，并且熔模铸造可以得到尺寸精确、表面光滑的铸件，最主要的特征是可以得到尺寸精度高、表面粗糙度小的铸件，熔模铸造还可以铸造形状复杂的铸件，熔模铸造还不受材料的限制，对于难以锻造和难以加工的合金材料来说，熔模铸造是一个非常好的选择，而且铸造精度高，可以进行精铸。

但由于TiAl在高温下具有很高的活性，可以与耐热的材料反应，这样就使得在熔模铸造时铸件表面容易产生污染层，如此影响铸件的外观质量，也影响铸件的内在性能。

随着工业的不断发展，铸造技术受到广泛资本家的欢迎，如果能够直接铸造出来精密的工件，则不需要二次加工，这样将会省很多成本。

于是离心铸造技术在这样的潮流的推动下得到了广泛的应用。

由于离心铸造时铸型的旋转速度很快，充型时金属液在强大的离心力的作用下而充满型腔，并凝固，使得合金液的充型能力更强，铸造出来的铸件更加致密。

离心铸造与重力铸造相比，铸件更致密、充型能力更强。

由于离心力的作用，离心铸造还可以对缩松缩孔、充型不足、气孔、夹杂等缺陷进行改善。

但是也由于离心力的作用使得气体、熔渣等杂物集聚在铸件表面，使得铸件质量较差，需要进行再加工，也使得铸件容易偏析。

1.3.3锻造成型

对TiAl基合金进行锻造时，锻造负荷比较大，锻造温度很窄，微观组织不均匀，局部容易过热，锻件表面容易产生裂纹。

所以常常锻造出来的零件可塑性比较差，难以锻出比较复杂的零件，材料利用率比较低。

TiAl基合金变形抗力受变形速度和变形温度的影响较大，所以锻造TiAl基合金适用于等温锻造，即将锻坯与磨具加热到等温时进行锻造。

这样就能在变形温度较慢时进行锻造成型。

如图1-1等温锻造下的压气机叶片。

图1-1等温锻造压气机叶片

1.3.4真空吸铸

金属型底注式真空吸铸是一种铸造TiAl基合金材料新工艺技术如图1-2，可以很好地弥补TiAl其他铸造成型方法中的缺陷，其优点有以下几点：

（1）由于合金液体在上下压差下凝固，可以减小缩松缩孔等缺陷。

（2）由于TiAl基合金的金属液流动性差，在熔模铸造中需要很高的过热度才能充型好，而在真空吸铸中不需要太高的过热度就可以很好地充型。

（3）TiAl基合金高温时活性强，很容易被氧化，而真空吸铸是在真空条件下进行，防止合金液在凝固过程中被氧化。

（4）金属液在浇铸时，由于金属液与型腔接触，使得流动速度减慢，凝固速度变快，使得充型能力下降，容易造成浇不足、流痕等缺陷，但真空吸铸是在重力和上下压差的作用下，使得充型能力得到提高，保证充型完整。

图1-2真空吸铸示意图

1.4精密铸造小型薄壁TiAl合金件的应用前景

早在很多年前世界上那些发达国家就对TiAl基合金在航空航天行业进行了深入研究，尤其作为世界超级大国的美国，对TiAl合金的研究更早。

由于TiAl基合金的弹性模量高，密度低，高温强度高，高温抗氧化性能高，高温抗蠕变性能好等优良性能，使得TiAl基合金大量使用在航空航天和发动机制造等行业，成为飞机发动机和火箭推进系统所用的新一代高温结构材料中的候选材料之一，深受从事高温结构材料研发的工作人员的青睐，但由于TiAl基合金的室温脆性低，使得TiAl基合金的薄壁铸件的铸造更为艰难，因此，精密铸造TiAl基合金的应用前景之广阔。

1.5铸造过程中的数值模拟

随着时代的发展，计算机技术逐步应用于铸造领域，铸造成型数值模拟技术在优化熔模工艺和研究金属熔模理论起着越来越重要的作用。

铸造成型数值模拟技术可以预测实际过程中工作人员在铸造成型时铸件可能产生的缺陷、产生的时间、缺陷的大小及缺陷的部位，从而进行优化铸造成型工艺，确保铸件质量，降低生产成本，缩短试制周期。

主要有应力场数值模拟、充型数值模拟、缩松缩孔数值模拟。

1.6主要研究内容

真空吸铸是铸造TiAl基合金的一种新工艺技术，其主要优点有以下几个方面：

（1）由于TiAl基合金的活性比较大，在空气中容易氧化，而真空吸铸在真空下进行铸造，避免了金属液在凝固过程中的氧化。

（2）在真空条件下铸造，型腔与外界存在压力差，而在压力差的条件下铸造成型，可以减少缩松、缩孔缺陷的形成。

（3）由于TiAl基合金液体的流动性比较差，在熔模铸造时需要给液体很高的温度才能保证充型完整，而在真空吸铸时，不需要太高的温度就可以充型完整。

本课题主要是利用procast软件对小薄壁型TiAl基合金铸件进行铸造成型数值模拟，观察模拟整个过程中的充型过程和温度变化，以及调整工艺参数从而减少模拟过程中缩松、缩孔等缺陷的产生，从而优化工艺。

第二章研究方法及参数设置

2.1真空吸铸过程分析

真空吸铸充型过程是在金属液自身重力和铸型上下压差作用下进行充型的，使得充型动力增加，而TiAl合金金属液活性大，流动性差，冷却速度快，而真空吸铸可以增加充型动力，于是该工艺可以浇铸小型薄壁件TiAl合金件。

因为型腔处于真空条件下，里面无空气，所以金属液在浇铸时受到的热气体反作用力降低，大大减少了充型阻力，大大减小了薄壁件因充型冷却速度太快而造成充型能力减小进而导致浇不足等缺陷。

由于金属液活性较大，而型腔真空度比较高，避免了金属液的氧化。

还有在真空条件下，有利于充型过程中的气体排出，在上下压差下，减小了在凝固过程中缩松、缩孔缺陷的产生。

在充型过程中，为了避免铸件产生缩松、缩孔、夹杂、浇不足等缺陷，我们必须对浇铸工艺进行优化。

当金属液温度过低时，薄壁件凝固速度过快，容易产生浇不足等缺陷；当金属液过高时，在浇铸过程中金属液不断的冲刷型腔，容易冲坏型腔，产生夹杂；当以过小的浇铸速度进行浇铸时，虽然金属液能保持平稳状态进入型腔，但由于金属液冷却速度快，也容易产生浇不足；当浇铸速度过快时，浇铸时金属液射流宽度较小，容易冲破型腔液面，扰动液面，容易产生气泡和夹杂等缺陷，另外射流宽度小、速度大容易产生紊流，在型腔底部形成涡流。

在浇铸过程中铸型温度也比较关键，当铸型温度较高时，铸型保温效果好，但浇铸时金属液容易冲砂；当铸型温度太低时，金属液凝固速度太快，容易产生缩松、缩孔。

综上所述，所以浇铸过程中要选择一定的浇铸温度、浇铸速度和铸型温度。

2.2实验材料及模拟参数选取

2.2.1实验材料选取

本课题研究的是真空吸铸对TiAl基合金的亚快速凝固行为，所以铸件主要材料为TiAl合金，TiA合金的优点是具有非常好的弹性模量，高温强度和氧化性能，使得它在未来的涡轮发动机制作中成为一个具有很大吸引力的材料[10]。

铸造和金由于其生产成本低，已被用来生产汽车的涡轮增压器[11]和活塞[12]。

航空发动机的应用需要仔细评估和改善伽玛铝化物许多方面的特性，包括疲劳，韧性和蠕变[13]。

为了满足设计要求，合金化是一个用来优化不同性能的基本手段。

Nb或许是伽玛铝化物最重要的合金元素，众所周知，Nb可以用来提高伽玛合金的强度和抗氧化性能，更是高达12%的Nb已被用来作为合金添加剂[14]。

目前尚不清楚，Nb含量达到多少时可使疲劳趋近于开裂。

与大多数合金均匀稳定的微观结构一样，可以用来为发动机部件服务。

但是对于铸件，可用于修改组织的手段是非常有限的。

所以在TiAl合金为主要材料的情况下，我还加入少量的Nb进行模拟，于是这次选择