真空吸鑄TiAl基合金組織研究

葉喜蔥， 蘇彥慶， 郭景杰， 張麗紅

(1.三峽大學(xué)機械與材料學(xué)院，湖北宜昌443002;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001;3.三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北宜昌443002)

近幾十年來，TiAl基合金作為下一代新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［1～5］，并在航空航天領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。據(jù)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(lǐng)域的應(yīng)用，因此，TiAl基合金的制備加工技術(shù)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(yīng)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(shù)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(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致TiAl基合金熔體的鑄造性能較差。為了獲得質(zhì)量良好的構(gòu)件，尤其對于復(fù)雜薄壁構(gòu)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(yù)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(xué)者A.Choudhury和M.Blum研究發(fā)現(xiàn)［14］，鑄型加熱到1000℃才可以避免鑄件中縮孔缺陷的產(chǎn)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(dǎo)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(shù)，并利用金屬型吸鑄技術(shù)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(xué)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(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)三次。

金屬型真空吸鑄成型原理如圖1所示，熔煉室內(nèi)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(fù)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(jié)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(shù)約為86%和14%，γ-TiAl相的體積分數(shù)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(jié)果Fig.4 The XRD result of Ti-47Al alloy thin sheet casting

合金元素會對組織產(chǎn)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(nèi)樹枝晶的數(shù)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(shù)k0=Cα/Cβ＞1(Cα和Cβ分別為α和β中Al的濃度)。從β到α的轉(zhuǎn)變過程中，α中Al的含量隨轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)，Ti5Si3相形狀不規(guī)則，主要分布在晶界處(圖9)，Ti5Si3相質(zhì)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(jié)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(nèi)樹枝晶的數(shù)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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