硼及钇对钛铝合金组织性能的影响及精密铸造工艺研究

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熔模铸造是制备具有工程应用背景的TiAl合金构件的重要生产方式,本文研究了硼、钇对铸态TiAl合金的组织性能的影响,以及热处理对TiAl合金的组织性能的影响,开展了适合TiAl合金熔模铸造用陶瓷型壳面层材料的研究,探索了大型TiAl合金铸件的浇注工艺,进行了大型TiAl合金格栅件的浇注。研究发现Y有强烈的吸氧作用,Ti-45Al-5Nb-0.08Y合金的氧含量从Ti-45Al-5Nb合金的740ppm降至460ppm。微量Y的添加能够细化Ti-45Al-5Nb合金α2/γ片层的片层间距,Ti-45Al-5Nb-0.08Y合金的片层间距从Ti-45Al-5Nb合金的580nm降至200nm。但微量Y的添加对Ti-45Al-5Nb合金晶粒尺寸的影响不明显,含Y合金的晶粒尺寸仍约为770μm。Ti-45Al-5Nb-x Y合金中的富钇相为Y2O3相,YAl O3相和Al Y相,其中有共格关系1213]YAl O3//[101]Y2O3。添加Y可改善铸态Ti-45Al-5Nb合金的室温力学性能。研究发现B的添加可以显著细化合金组织,0.4%B为Ti-45Al-5Nb合金铸态组织最佳细化效果的最小B添加量。Ti-45Al-5Nb-x B合金中的硼化物为遵守[001]Bf//[001]D7b//[001]B2共格关系的三相复合条带。B对Ti-45Al-5Nb铸态合金的细化机制为凝固前沿的成分过冷。铸态Ti-45Al-5Nb-0.4B合金室温力学性能最好。研究发现Ti-45Al-5Nb-0.4B-x Y(x=0.02,0.04,0.06,0.08,at.%)合金中由于B和Y的复合作用,合金中硼化物为Bf相条带与YBO3相薄片垂直生长,两相之间存在如下的共格关系:[001]Bf//[010]YBO3。在YBO3相生长过程中消耗了氧化钇,残余的富钇相为Al Y和Al2Y。铸态Ti-45Al-5Nb-0.4B-0.06Y合金的室温力学性能最好。研究发现含硼、钇的TiAl合金经过全片层热处理,Ti-45Al-5Nb-0.4B-0.06Y合金的室温拉伸强度为709MPa,伸长率为0.63%。含硼、钇的TiAl合金经过双态热处理,Ti-45Al-5Nb-0.4B-0.06Y合金的室温拉伸强度为706MPa,伸长率为0.67%。研究了锆粘结剂、钨粘结剂、钇粘结剂、铝粘结剂四种粘结剂的晶化行为,确定碳酸锆铵粘结剂、偏钨酸铵粘结剂、钇溶胶粘结剂制备的型壳的焙烧温度为950°C,铝溶胶粘结剂制备的型壳的焙烧温度为1100°C。分析了反应界面的形貌、元素分布和显微硬度,综合考虑界面平直程度、粘砂层致密程度、是否有TiAl合金侵入型壳、TiAl合金基体中是否有耐火材料颗粒夹杂、反应层厚度、粘砂层厚度、铸件表面硬度和硬化层厚度等因素,发现Al-Sol+Al2O3面层型壳与TiAl合金的界面反应最轻微,反应层厚度仅为2μm,且无粘砂层。基于小尺寸TiAl合金格栅试验件的Pro CAST数值模拟确定工艺方案,利用模拟所得最佳参数进行实际浇注实验,成功制备出TiAl合金格栅试验件。对TiAl合金格栅试验件分析表明,铸件组织均匀,从內圆到外边缘无明显变化。缩松缩孔缺陷分散分布于圆盘,模拟结果与实验结果吻合。基于小尺寸试验件的数值模拟和实际浇注的数据,优化了TiAl合金格栅件的浇注系统,成功制备出高质量的大型(Φ580×10mm)TiAl合金格栅件。
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