工藝參數(shù)對真空吸鑄TiAl基合金連桿鑄造過程的影響

駱良順，韓寶帥，王 亮，蘇彥慶，2，馮 明，郭景杰，傅恒志

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.華中科技大學(xué)模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074)

目前，汽車上的連桿多采用鋼為基本材料，但是隨著汽車輕量化的需求日益升高，急需降低連桿的質(zhì)量來提高發(fā)動機的效率［1］.TiAl基金屬間化合物具有低的密度(3.9～4.1 g/cm3)，較高的比強度、比剛度，良好的抗高溫氧化性，優(yōu)異的高溫抗蠕變性和阻燃性.在600～800℃溫度范圍內(nèi)，TiAl基合金的比強度優(yōu)于鈦合金，同時不低于密度較高的鎳基合金［2］.正是這些優(yōu)異的性能，受到越來越多材料學(xué)者的關(guān)注.但是TiAl基合金的室溫塑性差，熱變形能力較差，并且鑄造性能差，容易產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷，晶粒粗大.這些都限制了TiAl基合金的成形.Ti合金及TiAl合金的汽車零部件正處于積極開發(fā)中，并且在部分車型上已經(jīng)獲得了應(yīng)用［3］，但是由于生產(chǎn)成本高，目前主要應(yīng)用在賽車和部分豪華車型上.因此，推廣Ti及TiAl基合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用首先要解決的問題就是開發(fā)一種方便、低成本的成形方法.

底漏式真空吸鑄是本研究組近期開發(fā)的，結(jié)合了非自耗電弧熔煉方式與金屬型鑄造和熔模鑄造工藝，適用于Ti合金及TiAl金屬間化合物的新型鑄造方法.這種方法具有許多獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在:

1)鈦合金熔體是在自身重力和氣體壓力的耦合作用下充型，所以充型能力得到很大的提高，在成形小型薄壁，復(fù)雜形狀件上具有很大優(yōu)勢;

2)在鈦合金的充型能力得到保證的條件下，鑄型可以采用硬模，并且不需要預(yù)熱很高的溫度，所以工藝簡單，效率高，成本低;

3)鈦合金充型、凝固過程迅速，組織均勻細小，可以提高鑄件的性能.在氣體壓力和重力的耦合作用下，液態(tài)金屬的充型能力大大的提高.

本文嘗試采用真空吸鑄方法制造小型復(fù)雜連桿件，探索真空吸鑄過程制備汽車發(fā)動機配件的可行性，研究工藝參數(shù)對真空吸鑄過程的影響.連桿件的形狀如圖1所示.

圖1 連桿的形狀結(jié)構(gòu)

1 試驗

實驗所選的TiAl合金成分為Ti-47Al-2Cr-2Nb，熔煉設(shè)備為非自耗電極電弧爐.首先對連桿的真空吸鑄過程進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果［4-6］表明，吸口直徑為4 mm，充型速度為1 m/s時，澆注溫度要不小于1 600℃時，金屬熔體可以充滿鑄型，獲得完整的鑄件.本文采用4mm吸口直徑，充型速度由實際情況決定，熔煉過程中，合金全部熔化后，繼續(xù)增加熔煉電流，增加合金熔體的過熱度，同時啟動機械泵將模具室內(nèi)的氣體抽走，使得合金熔體在氣體壓力與重力的作用下充填鑄型，獲得鑄件.

2 結(jié)果及分析

2.1 連桿件充型過程的數(shù)值模擬

為了了解金屬液的流動，分析金屬流動過程，采用數(shù)值模擬軟件ProCAST對鑄件的充型及流動過程進行分析計算，為保證完整充型，采用澆注溫度為1 610℃時的充型結(jié)果如圖2所示.

金屬液進入鑄型后，沿著型壁流動，溫度降低，緊挨著金屬模具的地方溫度下降得最大;在連桿上部大圓與中部桿身的過度位置處，金屬液發(fā)生交匯，并且這個過渡區(qū)是在桿身充滿后金屬液向上反重力方向填充，因此在此處容易產(chǎn)生渦流、裹氣等現(xiàn)象;金屬液最后充填的位置是冒口處，這樣可以形成順序凝固條件，對后凝固的部位起到補縮的作用.

圖2 充型過程的數(shù)值模擬

2.2 金屬型芯模具吸鑄成形連桿件

在非自耗電弧熔煉過程中，水冷銅坩堝中的紐扣錠中心部位溫度比較均勻，所占據(jù)的比例也比較大，因此可以用紐扣錠中心部位的溫度來代替合金熔體整體溫度.隨著熔煉電流的增加，合金熔體的溫度基本呈線性的規(guī)律增加［7］.

圖3是在用金屬模具、金屬型芯條件下吸鑄成形的TiAl基合金連桿件，鑄件的充型順序與圖2中的模擬結(jié)果基本符合.

圖3 金屬型芯條件下吸鑄成形連桿件

隨著熔煉電流的增加，充型的比例增加，鑄件的形狀更加完整.圖3(a)中，熔煉電流為200A時，金屬熔體的主體溫度接近1 580℃，澆注溫度較低，金屬液進入鑄型后快速冷卻凝固，很難充填滿鑄型，液流的前端到達桿身的中部位置;圖(b)熔煉電流為250 A時，金屬熔體的主體溫度略大于1 590℃，液流前端流動至連桿件小圓端部，但由于金屬型的激冷能力很強，與模具接觸的前端金屬液迅速冷卻，無法繼續(xù)流動，繼而凝固;圖(c)中熔煉電流為300 A時，金屬熔體的主體溫度接近于1 610℃，金屬液在較高的溫度下充填鑄型，具有較好的流動性，可以將鑄型填滿，得到完整鑄件.這與之前的數(shù)值模擬結(jié)果是相符的［4］.

在圖3中可看到除圖(a)外，圖(b)、圖(c)所顯示的鑄件上均有裂紋出現(xiàn).這是凝固過程中發(fā)生凝固收縮以及不同位置的冷卻速率不同等原因產(chǎn)生應(yīng)力造成的.為了比較直觀的分析各種情況下鑄件內(nèi)部應(yīng)力，利用ProCAST軟件對應(yīng)力分布規(guī)律進行了數(shù)值模擬，得到不同鑄造條件下完整鑄件的應(yīng)力分布見圖4.

圖4 不同冷卻條件下連桿件的有效應(yīng)力分布規(guī)律

分析連桿的結(jié)構(gòu)及圖4的應(yīng)力模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，連桿件中上下兩個圓環(huán)與桿身交界處存在平滑的過渡區(qū)域，比較厚大，凝固速度較慢，應(yīng)力分布比較小;底部小圓處壁較薄，金屬冷卻速度快，應(yīng)力集中的現(xiàn)象較嚴重;中間桿身部位壁厚較薄，冷卻速度快，同時上下兩個型芯的固定作用阻礙桿身發(fā)生的凝固收縮，相當(dāng)于施加了反方向的力來拉扯桿身一樣，因此桿身處的應(yīng)力集中尤為明顯;在大圓處采用金屬型芯的鑄造過程中，金屬液與型芯相接處冷卻速度較快，因此表面迅速凝固，而中心部位冷卻慢，這樣由于冷卻速率不同，在大圓表面處產(chǎn)生了應(yīng)力集中.

圖3(a)中，由于金屬液填充比率小，凝固收縮時退讓空間較大，因此應(yīng)力集中作用比較小;圖3(b)中，連桿件在金屬型芯位置處產(chǎn)生裂紋，這是由于金屬型芯強度較高，冷卻能力也較強，TiAl基合金充入鑄型后冷卻凝固收縮較大，連桿大圓端部凝固收縮時受到型芯的阻礙作用產(chǎn)生應(yīng)力集中，在此處產(chǎn)生裂紋，如圖4(a)所示;圖3(c)中，TiAl合金充填鑄型的比率達到100%，金屬液冷卻凝固收縮過程中受到兩個型芯的阻礙作用，在兩端的型芯處及中間的桿身部分都產(chǎn)生較大得應(yīng)力，造成連桿件有裂紋產(chǎn)生并斷裂，如圖4a所示.

2.3 陶瓷芯模具吸鑄成形連桿件

圖4數(shù)值模擬中顯示，兩個金屬芯的對收縮的阻礙作用是產(chǎn)生應(yīng)力的主要原因.為此，在保證金屬型不變的情況下改變一個型芯的退讓性，減少收縮時的阻力可能避免在連桿中產(chǎn)生應(yīng)力集中，為此將頂部大圓處的型芯改為陶瓷芯，小圓端部仍然采用金屬型芯.

圖5是在陶瓷芯條件下吸鑄成形的TiAl基合金連桿.從試驗結(jié)果可見采用陶瓷芯鑄出來的大圓端部處沒有裂紋出現(xiàn)，而采用金屬型芯鑄出來的小圓端部處有裂紋出現(xiàn)，并且原本在連桿中間偏上部分出現(xiàn)的裂紋移動到了接近小圓端部處.

圖5 陶瓷型芯條件下吸鑄成形連桿件

TiAl基合金熔體充填到鑄型內(nèi)部與金屬型芯接觸時，由于金屬型芯較強的冷卻能力，金屬熔體的溫度迅速降低并冷卻凝固，凝固過程中TiAl基合金產(chǎn)生較大的收縮.但是由于金屬型芯的強度很高，可以認為是剛性的，合金的收縮受到阻礙，合金內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此連桿件的小圓端部處產(chǎn)生了裂紋;而合金熔體在與大圓端部處的陶瓷芯接觸時，由于陶瓷芯的冷卻能力、強度都比金屬型芯低，合金熔體的冷卻速度降低，凝固收縮時受到的阻力也降低，在此處并沒有裂紋產(chǎn)生.從圖4(b)中可以看出，大圓表面處的應(yīng)力較圖4(a)大大降低，桿身處的應(yīng)力值也較大程度的降低.這說明利用陶瓷型芯制備連桿件時可以降低冷卻速度并減少連桿件內(nèi)部的應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋.但是可以明顯的看出，在陶瓷芯的周圍，鑄件上存在氣孔、氧化層等缺陷，這是由于TiAl合金熔體的本身活性很高，TiAl合金熔體與型芯中的氧化物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣孔和氧化等缺陷.

2.4 陶瓷型殼吸鑄成形連桿件

為制得完整連桿，本文采用熔模鑄造的方法，制備連桿的陶瓷型殼，將金屬液澆注到陶瓷型殼中，利用陶瓷型殼的整體退讓性，減小鑄件在凝固過程中的收縮阻力，防止裂紋的發(fā)生.

由于金屬模具具有良好的強度和機械加工性能，在模具與坩堝的配合面上，可實現(xiàn)良好的密封.陶瓷型殼不具有前面所述的優(yōu)點，因此密封性較差，吸鑄過程中，氣體壓力差減小，對充型能力的提高作用要稍小于金屬型，因此為獲得完整的鑄件，需要提高金屬液的溫度以保證在金屬液可以完整充填陶瓷型殼.

圖6為采用上述方法制備的連桿件，由圖可知，熔煉電流較低時，金屬液不能完整的充填型殼，得不到完整的鑄件，隨著熔煉電流的增加，金屬熔體的溫度持續(xù)升高，金屬液的流動性增加，金屬液充填鑄型的比率增大，當(dāng)熔煉電流達到500A時，采用真空吸鑄和熔模精密鑄造相結(jié)合的成形工藝制備了完整的連桿件.

圖6 利用陶瓷型殼吸鑄成形的連桿件

在底漏式真空吸鑄的工藝下，TiAl基合金的充型能力得到保證，成形了復(fù)雜薄壁的連桿件，并且，在陶瓷型殼中，凝固過程中的應(yīng)力大大降低，大大減少了鑄件發(fā)生斷裂的可能，而且在熔模精密鑄造工藝下制備的連桿件型殼也能較好的保證連桿件的表面質(zhì)量.獲得對鑄件進行初步檢測并未發(fā)現(xiàn)明顯的鑄造缺陷.

3 結(jié)論

1)在利用金屬模的吸鑄過程中，隨著熔煉電流的增加，金屬的充型比例逐漸增大，在熔煉電流為300A時，金屬液可以完全充滿鑄型，形成完整鑄件.但由于冷裂現(xiàn)象的存在，不能獲得完整的連桿鑄件.

2)利用陶瓷芯金屬模具進行了TiAl合金連桿件的吸鑄成形實驗，結(jié)果表明金屬型芯會在連桿件內(nèi)部引起較大應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，而陶瓷芯避免了裂紋的產(chǎn)生，但會增加縮孔、氣孔、氧化等缺陷，并且難以完全避免冷裂缺陷.

3)提出了將底漏式真空吸鑄工藝和熔模鑄造工藝相結(jié)合的成形方法，即采用熔模精密鑄造的方法先制備連桿件的低成本陶瓷型殼，進行真空吸鑄成形，制備了完整的連桿件.

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