一种减小定向凝固钛铝合金界面反应的合金设计方法
【技术领域】
[0001] 本设计研究了一种减小定向凝固钛铝合金铸件与铸型涂层界面反应的合金设计 方法，属于改善钛铝合金铸造质量的方法。
【背景技术】
[0002] TiAl合金密度低、比强度高、比刚度高、耐热性好，具有高的抗高温蠕变性能和抗 氧化能力，是综合性能最好的轻质高温合金，是超高音速飞行器和下一代先进航空发动机 的首选材料，因此成为轻质合金中研究的重点。
[0003] 目前，TiAl基合金大部分采用粉末冶金技术、铸造和铸锭冶金技术生产。TiAl是一 种脆性金属间化合物。TiAl合金目前实际使用的最大障碍是该化合物的室温脆性和难变形 加工性。因此，铸造技术正代替铸锭冶金和锻件加工技术，日渐成为TiAl合金工业化生产的 主流。铸造 TiAl合金在技术上是可靠的，学术界及工业界认为在设计上做一些调整后TiAl 基合金可取代镍基合金用于某些发动机部件。
[0004] 研究者主要将眼光集中在TiAl基合金精密铸造技术上。精密铸造技术是最早运用 于TiAl基合金的成形技术。它主要包括熔模铸造和金属模铸造，前者主要用于制备形状复 杂的TiAl基合金部件，后者则用于制备形状比较规则、产量大的部件。采用熔模精密铸造 工艺制备TiAl基合金构件可缩短制造周期，降低材料消耗，并可采用蜡模组装工艺整体精 铸出多个构件的组合体，常用于复杂航空航天、汽车工业耐热构件的成形，该方法可得到无 余量或近无余量的精密复杂构件，制造成本与机械加工相比大幅度下降。但铸件存在晶粒 组织粗大、强度较低、合金凝固收缩较大及凝固组织疏松等缺点。定向凝固技术可以消除横 向晶界获得致密的组织，提高合金的持久强度和塑性，改善热冲击抗力和蠕变强度，在工业 和高技术领域具有非常重要和广泛的应用。采用定向凝固技术制备的TiAl合金铸件由于显 微组织得到显著细化而且定向排列，从而大幅度提高TiAl合金构件的服役能力。
[0005] TiAl合金与铸型之间的界面反应是TiAl合金浇注过程中普遍存在的问题。在TiAl 合金铸造过程中，由于熔融的合金具有很高的化学活性，在浇注时与铸型涂层材料发生反 应，产生了一系列的铸造缺陷，如铸件表面污染层、气孔、针孔、缩松等，这些缺陷劣化了钛 合金铸件的内部及表面质量，影响铸件的尺寸精度，直接影响了铸件的质量和性能;与此同 时，定向凝固过程中界面反应的存在还会在铸件表面形成污染层，破坏柱状晶体的连续生 长，改变晶体的生长方向，减弱定向凝固铸件的机械性能。因此，对TiAl合金熔体与铸型表 面之间的界面反应进行研究，掌握TiAl合金熔体与铸型界面的反应机制，发现其规律，进而 控制钛合金与铸型材料的界面反应程度。这对生产出优质的TiAl合金、提升机械行业的整 体实力具有非常重要的意义。
[0006] 迄今，国内外许多学者已经对钛合金熔体与铸型材料的界面反应进行一定的研 究，但研究主要集中在对工艺参数的选择和优化上。而Nb含量对于改善钛铝合金的机械性 能尤其是高温机械性能具有重要的作用。但是其在钛铝合金中含量与界面反应程度的关 系，则还缺少统一的认识。故通过系列实验对比不同Nb含量的钛铝合金在相同条件下的界 面反应程度，得到最优的Nb含量比例，对于今后的钛铝合金成分优化具有重要的意义。
【发明内容】
[0007] 技术问题:本文针对定向凝固得到的不同Nb含量的钛铝合金铸件，面对其在整个 定向凝固过程中由于高温与铸型涂层材料发生污染和反应等问题，结合微观组织、元素扩 散、物相变化和硬度分布对相应铸件界面反应程度作出评价，以期能找出最佳的合金成分 比例，进而改善钛铝合金铸件的质量，降低后续处理的成本。
[0008] 为达到上述技术问题，本设计是通过以下技术方案实现的，其包括如下步骤： a. 采用立式离心式真空感应熔铸炉熔铸不同Nb含量的钛铝合金铸件。完成后快冷铸 态取样，并去除试样表面的油污、水锈和氧化皮等，其具体过程如图1所示； b. 选用Al2〇3作为坩埚材料，Y2〇3作为型壳内壁涂层材料，涂层的涂刷厚度约为 0.5mm，i甘埚规格位内径6.5mm、外壁8mm，涂层的烧结制度为950 °C X 2h; c. 从母锭中部电火花切取直径6mm的合金棒，打磨并去除氧化皮，用丙酮清洗烘干后 放入内涂Y2〇3层的Al 2〇3型壳。使用真空感应加热布里奇曼炉进行定向凝固过程， d. 设计合理的定向凝固参数，并采用快速升温、保温、快冷结合的工艺； e. 采用扫描电子显微镜观察界面处的微观形貌，相应界面处的元素分布分析采用能 量色散谱仪测试。通过X射线衍射仪分析试样表面的物相组成。结合显微硬度计得到界面附 近的显微硬度。
[0009]通过本实验过程，合理的选择定向凝固工艺参数，并根据严格的实验步骤和实验 要求，获得了外观和内在质量致密度很高，表面光滑的铸件，实现了对界面反应程度的客观 评价。根据铸件的成分和尺寸选择定向凝固温度和保温时间，并匹配合适的真空度。之后切 割清洗，进行相应的组织和性能测试，并对相应区域的元素扩散和物相组成进行检测，得到 对界面反应程度的客观评价。
[0010] 本文对不同Nb含量钛铝合金铸件在定向凝固中的表面污染情况的检测和分析，优 选出较佳的Nb含量配比，为钛铝合金铸件质量的提高和成本的降低起到了相应的促进作 用。
【附图说明】
[0011] 图1是界面处扫描照片图。
[0012] 图2元素在界面处的扩散图。
[0013]图3界面处的物相组成图。
[0014]图4界面至基体的硬度分布图。
【具体实施方式】
[0015] -种测量钛铝合金与铸型涂层界面反应程度的方法。
[0016] (1)母锭铸造，实验原料分别为海绵Ti、Al粉、Cr粉、A1V和AlNb颗粒(粒状325目）， 配料比例按成分部分的参数选取，得到的最终配比见表1。实验采用立式离心式真空感应熔 铸炉进行熔铸，炉中真空度保持在〇 . 5Pa左右后通入Ar气保护，反复三次后保持真空度在 0.08Pa左右，泄压率〈0.1 Pa/mm。熔铸成型后将铸锭倒扣放入再次熔铸，反复三次使铸锭元 素分布均匀，取点检验成分分布。达到要求后的铸锭作为定向