葉喜蔥， 蘇彥慶， 郭景杰， 張麗紅

(1.三峽大學機械與材料學院，湖北宜昌443002;2.哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱150001;3.三峽大學醫(yī)學院，湖北宜昌443002)

近幾十年來，TiAl基合金作為下一代新型輕質高溫結構材料引起了國內外學者的廣泛關注［1～5］，并在航空航天領域得到大量應用。據NASA估計，到2020年航空發(fā)動機材料總量的20%～25%將是TiAl基合金。TiAl基合金突出優(yōu)點是:具有相對低的密度，比目前使用的耐高溫材料—高溫鎳基合金密度小50%以上;具有較高的比強度和比彈性模量，在高溫時仍能保持足夠高的強度和剛度;具有良好的抗蠕變及抗氧化能力。

但室溫塑性差、加工成形能力不足制約了TiAl基合金在各個領域的應用，因此，TiAl基合金的制備加工技術成為航空航天發(fā)展的核心問題［6］。迄今為止，已有多種成型方法應用到TiAl基合金件成形工藝中，如:粉末冶金［7］，定向凝固［8］，鑄錠冶金［9］，離心鑄造［10］，熔模鑄造［11］，反重力低壓鑄造［12］等。由于金屬間化合物在室溫下幾乎沒有延性，難以加工成型，因此研究者將研究重點集中在TiAl基合金鑄造近凈成型技術上，以降低零件的成本。由于TiAl基合金熔體本身黏度大、流動性差、且在高溫條件下容易和其他物質發(fā)生化學反應，導致TiAl基合金熔體的鑄造性能較差。為了獲得質量良好的構件，尤其對于復雜薄壁構件，在上述鑄造成型過程中，合金液要具有較高的過熱度，且鑄型預熱溫度也要求很高。如K.Liu［13］在研究TiAl基排氣閥離心鑄造中提出，合金液的過熱度越高，則充填率越好，當合金的過熱度達到180℃，鑄件充型良好。德國學者A.Choudhury和M.Blum研究發(fā)現［14］，鑄型加熱到1000℃才可以避免鑄件中縮孔缺陷的產生。另外，鑄造TiAl基合金件的粗大柱狀晶和片層團組織特征導致其室溫塑性差和性能各向異性，這對TiAl基合金的性能極為不利，必須采取一定的措施細化組織。

本工作針對TiAl基合金薄壁件鑄造成型困難，提出真空吸鑄技術，并利用金屬型吸鑄技術獲得了TiAl基合金薄板，研究合金元素對鑄態(tài)組織的影響。

1 實驗過程及基本原理

研究用TiAl基合金的名義化學成分Ti-47Al-X (at%)，熔配合金所用的原材料為零級海綿鈦、純度為99.99%的鋁條、純度為99.9%的鎢粉以及純度為99.99%的硅。采用非自耗電弧爐進行熔煉，熔化前熔化室抽真空至10-3Pa，反充高純氬氣。每次熔化時間約為200s，合金采用真空非自耗電弧爐熔煉，為了減少合金錠的成分偏析，熔煉一次就進行翻轉，翻轉三次。

金屬型真空吸鑄成型原理如圖1所示，熔煉室內充滿氬氣作為保護性氣體，并達到一定壓力(P2)。合金錠在氬氣保護的非自耗電弧爐中熔煉三次，以保證合金錠成分均勻。澆注時吸鑄室為高真空狀態(tài)(P1)，當合金液達到一定的過熱度時進行澆注(只需要幾十度的過熱度即可)，合金液在熔煉室和吸鑄室的壓力差(P2-P1)和自身重力下充型，充型動力大，可以澆注復雜薄壁TiAl基合金件。當合金液充入到鑄型中時，由于金屬型的強制冷卻作用，可以獲得組織細小的TiAl基合金件。

圖1 真空吸鑄原理Fig.1 Schematics of suction casting

2 實驗及結果分析

圖2為薄板鑄件，其中薄板的厚度2mm、長60mm、寬20mm，鑄型由45#鋼加工而成。圖3為利用金屬型真空吸鑄獲得的Ti-47Al合金薄板鑄件組織的金相圖，從圖中可以看出，由于金屬型的強制冷卻作用，TiAl基合金薄板件鑄態(tài)組織細小，平均晶粒尺寸在60μm左右。

圖4為XRD分析圖，從圖中可以看出，TiAl基合金薄板件的組織由γ-TiAl和α2-Ti3Al兩相組成的，其各自的體積分數約為86%和14%，γ-TiAl相的體積分數較平衡狀態(tài)下得到的γ-TiAl多，分析其原因主要是在金屬型真空吸鑄過程中，凝固過程是非平衡的。

圖4 Ti-47Al合金薄板鑄件組織的XRD結果Fig.4 The XRD result of Ti-47Al alloy thin sheet casting

合金元素會對組織產生很大影響，圖5為添加不同W元素的Ti-47Al合金的掃描電鏡照片，從圖中可以看出，組織均為等軸晶，添加W元素的晶粒尺寸在50μm左右，與Ti-47Al合金顯微組織相比(圖3)明顯細化，可見W元素對晶粒細化的效果比較明顯，其中最為明顯的是改善了該合金的樹枝晶的大小，隨著W含量的增加，單位體積內樹枝晶的數目增加，一次、二次枝晶臂都明顯被細化。另外，隨著W含量的增加，等軸晶粒尺寸細化明顯，但是W元素的添加會造成晶界W元素的偏析［15］。

一般來說，B2相在粗大層片組織的交界處形成，從Ti-Al二元相圖可以看出，在(β+α)兩相區(qū)，平衡分配系數k0=Cα/Cβ＞1(Cα和Cβ分別為α和β中Al的濃度)。從β到α的轉變過程中，α中Al的含量隨轉變過程的進行逐漸減少，Ti的含量逐漸增加。剩余的β中Ti和其他合金元素更加富集，β相變得更加穩(wěn)定，最終保留下來，不同取向的α晶粒在此匯合，所以β相在α晶粒(大的層片組織)的邊界處存在［16］。如果B2相多，則α晶粒更容易受到B2相的阻礙而停止長大，W元素的偏聚能夠穩(wěn)定B2相，所以隨著W元素的添加，B2相的含量增加，晶粒變細［16］。圖6為金屬型吸鑄的Ti-47Al-2W鑄件組織TEM圖，對該組織的衍射斑點標定可知，鑄件組織中存在大塊的B2相，大塊B2相的存在，細化了TiAl合金件的鑄態(tài)組織。

Si在TiAl基合金中的固溶度是有限的，添加Si有利于TiAl基合金中Ti5Si3相形成而提高合金的抗氧化性能和抗蠕變性能。Ti5Si3相的熔點很高，為2130℃。其密度為4.32g/cm3，從Ti-Si系二元相圖也可以看出Ti5Si3相從室溫到高溫一直很穩(wěn)定，沒有相變發(fā)生［17］，再加上其良好的高溫強度、抗蠕變能力和較好的抗氧化能力，使其成為一種優(yōu)異的強化相。圖7、圖8為Ti-47Al-2W-0.5Si薄板件樣品XRD分析和背散射圖。從圖7中可以看出，由于Si元素的添加，Ti-47Al-2W鑄件組織中因出現了Ti5Si3相而得到進一步細化(圖8)，晶粒尺寸在40μm左右。對Ti-47Al-2W-0.5Si合金進一步觀察發(fā)現，Ti5Si3相形狀不規(guī)則，主要分布在晶界處(圖9)，Ti5Si3相質點會阻礙TiAl基合金凝固過程中組織長大，有利于細化TiAl基合金。

4 結論

(1)由于金屬型的強制冷卻作用，Ti-47Al合金薄板的鑄態(tài)組織細小，平均晶粒尺寸在60μm左右。

(2)隨著W的加入，晶粒尺寸減小，單位體積內樹枝晶的數目增加，一次、二次枝晶臂都明顯被細化。

(3)由于Si元素的添加，Ti-47Al-2W鑄件組織得到進一步細化。生成的Ti5Si3相形狀不規(guī)則，主要分布在晶界處，其熔點高，阻礙TiAl基合金凝固過程中晶粒的長大，有利于細化TiAl基合金組織。

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