魏戰(zhàn)雷，任貴娟，李建崇，黃東，莫曉飛，羅倩，南海

（1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)中心，北京 100095；3. 中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，北京 100190）

TiAl基合金由于其原子的長(zhǎng)程有序排列和原子間金屬鍵與共價(jià)鍵的共存性，使其具有高比強(qiáng)度、高比彈性模量的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在高溫時(shí)依然可以維持這些性能，同時(shí)具有良好的抗蠕變、抗氧化能力，密度不到鎳基合金的 50%，使用溫度可達(dá)700～900 ℃，甚至更高，成為航空、航天、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)件極具競(jìng)爭(zhēng)力的材料[1—3]。但是TiAl基合金室溫塑性低、成形性差，成為限制其研制和應(yīng)用的瓶頸，熔模精密鑄造采用液態(tài)成形，可以一次成形復(fù)雜、薄壁零件，具有高的尺寸精度和低的表面粗糙度，易批產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為制作TiAl金屬間化合物構(gòu)件有效可行的方法之一[4—5]。2006年6月，GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)第6、7級(jí)低壓渦輪葉片實(shí)現(xiàn)了 TiAl合金的首次應(yīng)用[6]，采用的就是 Ti4822合金的熔模精鑄工藝。羅羅公司擬在Trent發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的45XD低壓渦輪葉片也是采用熔模精密鑄造技術(shù)[7—8]。

國(guó)內(nèi)TiAl合金熔模鑄造技術(shù)研究主要集中在合金制備、鑄造工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)模擬、陶瓷型殼、鑄造組織和性能控制等方面，并且取得了一定進(jìn)展[9—14]，但是缺乏TiAl合金鑄造收縮特性的研究，導(dǎo)致熔模精鑄尺寸精度不夠高。針對(duì)上述問(wèn)題，文中開(kāi)展了TiAl合金鑄造收縮特性的研究，為T(mén)iAl合金鑄件尺寸精度控制提供基礎(chǔ)性參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 收縮模型設(shè)計(jì)

為了研究不同結(jié)構(gòu)下 TiAl合金的線收縮數(shù)據(jù)，自由收縮設(shè)計(jì)兩種典型模型（圖 1所示），其中長(zhǎng)方體理論尺寸為80 mm×60 mm×10 mm，圓柱體理論尺寸為Φ20 mm×80 mm；受阻收縮設(shè)計(jì)了兩種典型模型（見(jiàn)圖 2），其中回字形試樣外圍理論尺寸為 60 mm×50 mm×40 mm、內(nèi)腔理論尺寸為 30 mm×30 mm×40 mm，圓柱體試樣外圍尺寸為Φ60 mm×40 mm、內(nèi)腔理論尺寸為Φ40 mm×40 mm，每種試樣設(shè)計(jì)制作3個(gè)，測(cè)量后計(jì)算平均值。采用熔模精密鑄造工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，蠟?zāi)Ｍㄟ^(guò)激光3D打印快速成形工藝制備，型殼采用氧化物陶瓷型殼工藝。

圖1 自由收縮模型Fig.1 Model for free contraction

圖2 受阻收縮模型Fig.2 Model for hindered contraction

1.2 合金材料及熔煉工藝

實(shí)驗(yàn)所用材料名義成分為 Ti-48Al-2Cr-2Nb，實(shí)測(cè)成分見(jiàn)表1。采用0級(jí)海綿鈦、鋁豆和中間合金為原料，壓制電極后，采用真空自耗電極電弧熔煉爐進(jìn)行兩次熔煉，獲得Φ120mm的鑄錠。澆注實(shí)驗(yàn)在20 kg水冷銅坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉鑄造爐進(jìn)行重力澆注，熔煉過(guò)程真空度≤6 Pa，熔煉功率為450～500 kW。

表1 Ti4822合金實(shí)測(cè)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Actural chemical composition of Ti4822 alloy(mass fraction)%

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

澆注后獲得的 Ti4822合金收縮率試樣鑄件見(jiàn)圖3和圖 4，對(duì)長(zhǎng)方體和回字形試樣測(cè)量長(zhǎng)寬高，對(duì)圓柱體和圓環(huán)試樣測(cè)量直徑和長(zhǎng)度，按照公式1和公式2進(jìn)行合金線收縮量和線收縮率的計(jì)算，獲得表2所示的線收縮數(shù)據(jù)。

圖3 澆注后的自由收縮鑄件Fig.3 Castings for free contraction after pouring

圖4 澆注后的受阻收縮鑄件Fig.4 Castings for hindered contraction after pouring

式中：L為收縮量；ψ為收縮率。

表2 Ti4822合金的線收縮數(shù)據(jù)Tab.2 Linear contraction data of Ti4822 alloy

從長(zhǎng)方體和圓柱體的線收縮數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)基礎(chǔ)尺寸在10～80 mm之間時(shí)，Ti4822合金的自由線收縮量約為0.31～1.88 mm，線收縮率在3.11%～2.09%之間，基本都在 2%以上，約是常規(guī) ZTC4合金線收縮率1.2%～1.5%[15]的2倍左右。收縮量和收縮率隨基礎(chǔ)尺寸的變化見(jiàn)圖5，可以看出，長(zhǎng)方體和圓柱體中隨著構(gòu)件基礎(chǔ)尺寸的增加，線收縮量增加，但收縮率反而減小。受阻收縮數(shù)據(jù)分析顯示，回字形試樣 30 mm內(nèi)腔的受阻收縮率為1.44%～1.74%，比60 mm和50 mm外圍的自由收縮率2.22%和2.37%低30%～40%左右；圓環(huán)試樣40 mm內(nèi)徑的受阻收縮為1.01%，比60 mm外圍和 40 mm長(zhǎng)度的自由收縮率 2.04%,1.95%低50%左右。此外，從回字形試樣可以看出壁厚10 mm處的30 mm內(nèi)腔受阻收縮率為1.44%，而壁厚15 mm處的30 mm內(nèi)腔受阻收縮率為1.74%，說(shuō)明同樣基礎(chǔ)尺寸的受阻收縮會(huì)隨著壁厚的不同存在一定的差別。

圖5 收縮量和收縮率隨基礎(chǔ)尺寸的變化Fig.5 Changing for contraction quantity and rate along with basic dimension

3 分析討論

鑄件在凝固和冷卻的過(guò)程中，存在體積和尺寸減小的現(xiàn)象，稱(chēng)其為收縮。線收縮率是設(shè)計(jì)和制造模具的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確度直接關(guān)系到制造鑄件的尺寸精度。

采用熔模精密鑄造工藝，鑄件基礎(chǔ)尺寸在10～80 mm之間時(shí)，Ti4822合金自由線收縮率為 3.11%～2.09%，遠(yuǎn)高于常規(guī)的 ZTC4合金。金屬的收縮從微觀結(jié)構(gòu)方面分析，當(dāng)合金從液態(tài)凝固、冷卻形成固態(tài)時(shí)，原子從長(zhǎng)程無(wú)序轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)程有序，原子呈規(guī)則、緊密排列造成的。Ti4822合金最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?+γ相，ZTC4合金最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?α相，其中Ti4822合金中的α2相為DO19六方結(jié)構(gòu)，ZTC4合金中的α相為密排六方，兩種結(jié)構(gòu)的晶胞致密度相當(dāng)，均為 0.74左右；Ti4822中的γ相為 L10四方結(jié)構(gòu)，晶胞致密度約為0.74，ZTC4中的β相為體心立方結(jié)構(gòu)，晶胞致密度為 0.68，因此 Ti4822合金的總體原子致密度大于ZTC4，微觀上原子致密度的差異導(dǎo)致宏觀上 Ti4822合金收縮率大于ZTC4合金。

收縮規(guī)律顯示，線收縮量隨著鑄件基礎(chǔ)尺寸的增加而增加，而線收縮率呈下降趨勢(shì)，因此在設(shè)計(jì)鑄造模具時(shí)，為了保證鑄件高的尺寸精度，對(duì)于不同位置和理論尺寸的收縮率要進(jìn)行差別性設(shè)計(jì)。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示壁厚差在10～15 mm時(shí)，Ti4822合金受阻收縮率比自由收縮低 30%～50%左右，主要原因是在合金凝固和冷卻過(guò)程中受阻收縮會(huì)受到型殼或型芯的機(jī)械阻礙，導(dǎo)致內(nèi)腔的收縮小于外圍的收縮，此現(xiàn)象將導(dǎo)致鑄件壁厚變薄，在鑄件模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意考慮。受阻收縮除受到合金特點(diǎn)、鑄件尺寸和壁厚影響外，還會(huì)受到型殼型芯強(qiáng)度性能的較大影響，要想獲得較為準(zhǔn)確的受阻收縮數(shù)據(jù)，需要結(jié)合具體型殼工藝進(jìn)行大量的研究和數(shù)據(jù)積累。在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定總體鑄造工藝，分析鑄件各個(gè)部位是受阻收縮還是自由收縮，分別設(shè)計(jì)收縮率，需要注意的是受阻收縮與自由收縮的差值需要結(jié)合收縮特點(diǎn)、鑄件壁厚、型殼及型芯強(qiáng)度等綜合設(shè)計(jì)，才能保證鑄件的尺寸和壁厚精度。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于Ti4822合金，鑄件基礎(chǔ)尺寸為10～80 mm時(shí)，自由線收縮率約為3.11%～2.09%，約是常規(guī)ZTC4合金的兩倍左右，收縮率大導(dǎo)致 TiAl合金鑄件尺寸難以控制、殘余應(yīng)力大、容易開(kāi)裂。

2) 隨著基礎(chǔ)尺寸的增加，Ti4822合金的自由線收縮量增加，但是線收縮率減小，而相近基礎(chǔ)尺寸的受阻收縮率比自由收縮率低30%～50%左右。

3) 設(shè)計(jì)TiAl合金鑄件模具時(shí)，為了保證鑄件尺寸和壁厚精度，在參考本文收縮數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合鑄件不同位置收縮特點(diǎn)、基礎(chǔ)尺寸、鑄件壁厚、型殼及型芯強(qiáng)度等對(duì)其收縮率進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

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