钛铝合金熔模铸造技术

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1、TiAI基金属间化合物熔模精密铸造的讨论摘要：TiAI基金属间化合物作为一种新型轻质高温结构材料，在航空航天和汽车等 领域具有宽阔的应用前景。熔模精密铸造是当前普遍采纳的制备TiAI基 金属间化合 物的方法。主要介绍了熔模精密铸造TiAl基合金的铸件以及型壳用 粘结剂及耐火材 料的进呈现状,T iA 1合金的熔炼技术及最新讨论进展，并对T iA 1基金属间化合物熔 模精密铸造技术的不足进行了分析并提出了展望。关键词：TiAh金属间化合物；熔模铸造1 前言随着现代工业的进展，低密度高强度的材料越来越受到人们的青睐，一般的Ti合 金在强度和抗氧化性能上已无法满意要求。TiAl基金属间化合物（也称T

2、iAl合金）是 一种新型轻质的高温结构材料，密度不到银基合金的 50%,兼有金属和 陶瓷的性能。 它们不仅具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优 点，而且具有优异的常温柔高温力学性能，使用温度可达到700-1 OOOoCo这使其倍受 讨论工作者的重视，成为航空航天及汽车发动机用耐 热结构件的极具竞争力的材料， 具有宽阔的应用前景。目前，TiAl基金属间化合物大部分采纳铸锭冶金技术（如挤压、锻造、轧制、板 材成型） 、粉末冶金技术（包括模压和挤压烧结）和熔模精密铸造等成形方法。由于 TiAI 基金属间化合物室温塑性低、成形性差，所以，采纳熔模精密铸造技术 是制作 Ti

3、Al基金属间化合物构件最可行的方法之一，与其他方法相比，熔模精密铸造可以一 次铸成外形简单、薄壁的零件，并且铸件具有高的尺寸精度和低的表面粗糙度。可 显著提高原材料的采用率（可达 75%90%） ,特殊是 1970年 月末以来，热等静压技术 （HlP）广泛应用于钛合金铸件，使得某些铸造缺陷得 以消退，钛合金铸件的力学性 能及其稳定性得到了明显改善，促使钛合金铸件在 航空航天工业中取得了广泛的应 用。本文介绍了熔模精密铸造TiAl基金属间化合物合金及铸件的最新进展，型 壳用 粘结剂及耐火材料的进呈现状，TiAl基金属间化合物合金的熔炼技术，并 对TiAl基 金属间化合物熔模精密铸造技术提出了今后

4、的展望。2 熔模铸造 T iA 1 基合金的讨论进展2.1T iA 1 基金属间化合物的进呈现状TiAl基金属间化合物是当今金属间化合物讨论领域的最热点。在TiAl基合 金的 应用讨论方面，美、日和西欧等发达我国都做了大量的讨论工作。美国 Pratt hitney Aircraft试验室、GE公司、Howmet公司、德国GK SS讨论所、汉堡高校、亚琛工业 高校、英国伯明翰高校、欧洲ABB公司、奥地利PlanSee公司、日本Hn公司、京都 高校、日本东北高校和川崎重工业株式会社等多家单位开展了 TiAl 基金属间化合物 的讨论，并胜利地使其得到应用。目前工程用 TiAl 基金属间化合物已形成两

5、个不同使用温度的级别，高 TiAI 基金 属间化合物（高 NbTiAl 合金）和一般 TiAI 基金属间化合物，基础合金成分主 要差别是 在 Nb 含量上。高 Nb 合金由于具有良好的高温强度和抗氧化力量，较 一般 TiAl 基金 属间化合物有更宽阔的应用前景,含（5 IO）Nb 的 TiA 1 基金属间化 合物被认为具有 良好的综合性能。少量多元和多量少元是目前合金化的两个趋势, 即通过高合金化（如 高Nb, V, Cr和Mn）引入少量高温相和添加少量的C, B和Re等改善组织及性能。ChenG.L等人讨论表明，当Nb含量高于5%（摩尔分数）时，强化效果特别明显。Ti与Nb的原子尺寸相差很小

6、，仅为0.2%。用原子定位沟道增加显微分析（ALCHEMI） 确定原子占位结果表明，Nb单独占据了 Ti的亚点阵。Nb的加 入降低了 0/a相转变 温度，缩小了a相区。这种相稳定性的转变使材料的组织发生明显细化，这对提高材 料的屈服强度是特别重要的。高银合金中存在大量的季 晶，被认为是 Nb 的加入转变 了层错能的原因。可以推想，在含 Nb 合金中李晶 活动的增加有益于材料在低温下的 塑性变形，由于这弥补了 TiAl 合金在相应的 应力下缺乏独立滑移体系的缺陷。 B 作 为一种益于晶粒细化和削减凝固偏析的合 金元素叫在锻造合金中的添加量要略微少 于在铸造合金中的添加量。W通过固 溶强化，而C通

7、过沉淀强化，都可显著提高 高温强度和蠕变变形抗力。据此， 高银 TiAl 高温合金的设计成分范围为 Ti-AI45-46- Nb69（W,Mn, Hf）x-（C, B）y-（Y, RE）zo目前，合金成分化讨论尚没有完善，仍需要做大 量的工作。2.2熔炼技术的最新讨论动态TiAl基金属间化合物在高温时具有高的化学活性，其熔炼过程中存在很多困难， 比如合金元素熔炼过程反应热高,对间隙元素敏感性高,合金元素含量高，合金成分容 错度小，合金中各元素物性差别大，性能对组织敏感性高等。目前已有 3种冶金熔炼 方法被胜利地应用于 TiAl基金属间化合物的生产：凝壳感应熔炼(IndUCtiOnSkUnMel

8、ting)、真空电弧熔炼(VaCUUmArCMelting)和等离子束熔炼(PlasmaMelting)。 3种熔炼方法都采纳了真空及水冷用烟技术。但这些方法熔炼TiAl基金属间化合物均 有所不足，如所形成的熔池较浅，熔体温度难以维持，这对成分精确度和匀称性要求 较高的TiAl基金属间化合物构成不利影响。电磁冷用烟悬浮熔炼技术是将分瓣的水冷铜用烟置于交变电磁场内，采用交 变 电磁场产生的涡流热熔化金属，并依靠电磁力使金属熔体与地蜗壁保持软接触 或者非 接触状态，并对炉料进行感应熔炼或者成形的技术。该技术充分采用了电磁场和金属 相互作用的热效应和力效应，具有很多优点：金属在水冷铜生烟中悬浮或软接

9、触，可 以使金属没有污染地熔化；感应加热可以熔化高熔点的金属；电磁力的剧烈搅拌使熔 体组织成分匀称；适用范围广，可以熔炼不同成分的合金和 材料；高温熔体对冷用期 无实质性腐蚀，使用寿命长。1970年英国胜利地进行了感应悬浮熔炼的试验，并申请了专利；1980年美 国硅 铁(DUrirOn)公司将感应悬浮熔炼推向了工业化生产。近年来，悬浮熔炼方法 倍受青 睐，在美国、俄罗斯、德国、日本、法国等先进我国进展起来。日本大同特殊钢公司 和法国的TARAMM公司将悬浮熔炼与真空吸铸法、真空压铸法以及离心铸造工艺相 结合，生产岀了铸件壁厚最小可达0.5 mm、外形轮廓特别好的 铸件。日本大同特殊 钢公司开发

10、岀的LEV ICAST技术,可以熔炼出高质量的TiAl基金属间化合物，并用于 大规模生产。目前需要研制熔化力量更大、熔炼时间短的大型熔炼炉，进一步提高金 属采用率，降低熔炼成本。国内目前应用最多的还是电弧炉和电子束炉I。钢铁讨论总院在863高技术项目 资助下，自行开发研制了用烟容量为06 L的冷生烟真空感应悬浮熔炼炉。哈尔滨 工业高校从德国ALD公司引进的水冷铜耳烟真空感应熔炼炉，具有20世纪90年月 世界先进水平。采用该熔化炉熔炼TiAl基金属间化合物时，熔体温度易于掌握，合金成分匀称、精确，间隙元素含量低(V3.0X10-2)。但该技术在熔炼TiAI基金属间化合物方面还有很多问题需要解决:

11、如真空熔炼TiAl基金 属间化合物时合金元素的挥发行为；熔炼(T i+Al)混合炉料时凝壳形成过程及对合金 成分的影响；讨论熔炼过程中熔炼功率、炉料量、熔体温度及凝壳尺寸 之间的关系 讨论不同条件下熔炼过程及工艺参数优化等。3 T Ail基金属间化合物的熔模铸造技术介绍3.1 T iA 1基金属间化合物铸件项目美国在TiAl基金属间化合物上的讨论和应用始终处于世界领先地位。从20世 纪90年月后期开头，很多以在飞机发动机上实际应用TiAl基金属间化合物为目的的 政府和企业的项目纷纷上马。一大批满意发动机质量要求的静止部件和 动部件被设 计、制造出来。在这一过程中，美国通用电气公司(GE)设计的

12、Ti-48A l-2Cr-2Nb(x/%), 简称Ti-4822，因其在生产中相对易掌握化学成分、易成型、易焊接等特点而脱颖而岀。 再诸如美国精密铸件公司(PCC StrUCtUralS, Inc)等专业 从事精密铸造的单位的关心下, 经过20余年的努力，目前最终形成了经济地，大规模生产航空用TiAl基金属间化合 物部件的精密铸造力量。与此同时.，在美国宇航局(NASA)的帮助下，和铸造工艺几 乎具有同等重要意义的TiAl基金属间化合物焊接工艺也在本世纪初开发完成，并被 应用到大规模生产上。这些由精密铸造生产出的Ti-4822，其室温的机械性能完全满意设计要求：平均屈 服强度为358 MPa,

13、平均极限抗拉强度为468MPa，平均延长率为2.2%。 和美国HSCT 相对应，口本政府也于 2000 年启动了自己的民用超音速飞机方案 (Environmentally Compatible Propulsion System for the Next Generation SuperSon ic Transport Research Program ESPR)。这是日本政府已实施了 10年的HYPR方案 的连续，旨在开发出高 速民用客机推动系统所需的材料和技术。GE和PCC共同为其供应了 Ti-4822的环形 侧板支持件。国际上主要的发动机制造商如 GE、 PWA R-R 等对 TiAI

14、基合金铸件进行了 广 泛的讨论，这些铸件主要由PCC及Howmet供应。美国Howmnet公司讨论的TiAl合 金增压涡轮及进、排气阀已在肯定范围商业化。PCC精铸岀大型TiAl基合金发动机扩压器，铸件外径61cm,宽6.25 Cm,厚5 cm,外围有16个脊，只 有两处需 要焊接修复，并已胜利进行了 650C 试验。除此之外， 10 余年来，美国空军，海军以及欧洲的一些航空发动机公司在 TiAI 基金属间化合物的开发上也投入了相当多的人力、物力。但是在很长的一 段时期里， 不管是超音速飞机的发动机也好，或其他现役、新机发动机上的部件 也好，由于商业 和技术方面的各式各样的缘由，都没有使 Ti

15、AI 基金属间化合物 真正大规模地进入到 航空部件的生产上去。世界上大多数和 TiAl 基金属间化合 物有关的工作都局限于一 两个部件的示范性研发。这个局面始终连续到2006年GE, PeC和Hn共同胜利地完成 了，为波音787飞机配套的，GEnX发动机低 压涡轮第6和第7级T i-4822叶片的生 产。这个采纳精密铸造和机加工工艺生产 的叶片，使大规模生产 TiAI 基金属间化合 物部件成为现实。组装好的第 6、第 7 级低压涡轮叶片参与了 2006 年 4 月 GEnX 发动 机的第一次地面试车；并在 2007 年 2 月胜利地参与完成了第一次飞行试验。近年来，在汽车发动机部件中，讨论最集

16、中的是增压涡轮和排气阀，国外车 用发 动机部件应用轻质TiAl基合金的讨论已取得胜利。德国材料讨论所Wagner用熔模精 密铸造方法制成TiAl基合金发动机叶片,在汽轮机工作条件下（700C, 1600r/mi胜利 进行了旋转试验。日本川崎重工株式会社和大同特殊钢公司宣布, 用熔模精密铸造方 法生产的TiAl基合金叶轮比耐热合金叶轮达到110 000 r/min的时间缩短约16%,达到 170000 r/min所需的时间缩短26%,提高了最大转速，充分体现了 TiAI基合金的比性 能优势。日本京都高校新开发Ti-47AI-Fe-B合金车用整体精铸发动机网，外径80 mm 的增压涡轮，来替代铸造

17、银基高温合金，可 使涡轮转子减重 50%以上，使 TiAl 金属 间化合物涡轮增压的发动机节约启动时 间，加速响应时间显著削减，排气阀耐久力测 试结果表明稳定性良好。日本另一种用于精铸涡轮的TiAl基合金名义成分为Ti-48Al- 2Nb-0.7Cr-0.3Si,采纳反压铸造法新技术铸造的TiAI金属间化合物增压涡轮已应用于 三菱等跑车oTiAl涡轮增压器应用最胜利的是在日本,1998装备了 1000台左右Lancer 汽车，到 2003 年的时候已经增加到 20000 台，这些涡轮增压器的成分为 Ti-46Al-6.5Nb 和一些微量元素。国内对TiAl合金铸造技术的讨论也已开展多年，并有铸

18、造TiAl排气阀和叶轮的 讨论报道，TiAl排气阀已通过台架测试，但TiAl叶轮目前还没有进行台架 试验的报 道。北京钢铁讨论总院张继等在AbCh基陶瓷型壳表面层中添加3%10%的稀土氧化 物改善型壳表面的化学稳定性；在含硅酸乙酯制壳料浆中掺入 1%5% 的碳水化合物 改善型壳的透气性，所开发的多重氧化物陶瓷型壳用于TiAl基合 金涡轮精铸成形， 以轻质TiAl合金取代现用银基铸造高温合金，大大降低转子 系统的转动惯量，解决 了中国某重点国防工程研制样车在试运行过程中启动慢和 冒黑烟问题。哈尔滨工业高 校在低成本氧化物陶瓷型壳的研制、TiAl基合金的熔炼、铸造工艺的数值模拟、TiAl 基合金的

19、浇注试验方面和大型简单薄壁铸件方面 也进行了卓有成效的讨论。3.2 T iA 1基金属间化合物熔模铸造型壳1965年美国发布了第一个钛的熔模精密铸造技术专利， 20世纪 70年月初， 钛合 金精铸件被正式应用到航空工业上，自此之后，钛合金熔模铸造技术得到了比较快的 进展，熔模铸造钛合金的进展史，从某种程度上也可以说是型壳的进展过程。型壳的 制备是整个TiAl基金属间化合物熔模铸造工艺的最大难点，在制 壳工艺已相对成熟 的状况下，选择合适的粘结剂和耐火材料显得尤为重要。3.2.1 粘结剂粘结剂是TiAI基金属间化合物熔模铸造中型壳的重要原材料，是制壳工艺 中的 难中之难，它直接影响型壳、铸件质量

20、，生产周期和成本。水玻璃、硅酸乙酯等铸造 常用粘结剂，只能用作TiAl基金属间化合物铸造型壳的背层材料，对于面层，需要 的是能够在炸殳烧后，生成比Sio2更稳定氧化物（如AI2O3, ZrO2, CaO和Y2O3等） 的粘结剂。保证型壳面层的惰性是选择面层粘结剂的主要原则，通常铸钛用的粘结剂可 分为碳质粘结剂和氧化物粘结剂。目前国内外铸钛生产中使用的碳质粘结剂主 要是合 成树脂和合脂，此外还有糊精、淀粉、沥青和胶体石墨等。氧化物粘结剂主要有二醋 酸错、硝酸错、碳酸错铁、硅溶胶等，其中二醋酸错是钛合金精铸型壳工艺中重要的 金属有机化合物粘结剂，广泛应用于面层涂料工艺。不论是难熔金属面层工艺，还是

21、惰性氧化物面层工艺，都可以用它作主要粘结剂。二醋酸错价格 比较昂贵，因此价格低廉的硅溶胶通过技术改进后也被应用于实际生产。从实际制得的铸件质量来看，国内北京航空材料讨论所研制的 Gu-I, Gu-3 型粘结 剂，哈尔滨工业学研制的 LJ- 8 型粘结剂均可制备出表面质量良好薄壁钛 合金铸件。 目前所用的大多数粘结剂还不能完适合钛合金铸造，它们的焙烧产物 大多与耐火材料 的分相同，与钛的反应依旧存在。粘结剂的研制始终滞于耐火材 料的研制，因此，同 开发新型耐火材料一样粘结剂也需进一步的开发。3.2.2耐火材料金属与铸型界面相互作用是影响铸件质量的首要因素。熔融的钛合金具有很 高 的化学活性，几乎

22、可以与全部的耐火材料反应，在铸件表面形成污染层，恶化铸件的 内在和外观质量。此外，钛铸件的其他几种主要缺陷也都和熔融钛与铸型的相互作用 有关。因此，面层耐火材料的选择特别关键。目前所使用的面层耐火材料大体可分为 以下四大类：碳质耐火材料、氧化物陶瓷材料、金属材料及其它 材料口叫碳质耐火材料用于钛合金铸造的碳质耐火材料主要是指人造石墨，其性能在很大程度上取 决 于原材料和制备工艺。人造石墨是以石油焦、炭墨、沥青焦为主要原料，在 26003000C 高温下燃烧而成的。人造石墨在真空下耐火度高，热膨胀系数小，强度随温度上升而 有所提高，对熔融钛合金有肯定的惰性，石墨与液钛在较低温度下反应很弱，只在铸

23、 件表面发生稍微的渗碳现象，形成渗碳层。但是人造石墨作为耐火材料存在肯定的缺 点，易氧化，必需工作于真空、还原性气体气氛或惰 性气体气氛下；吸咐气体力量强， 石墨砂吸附气体的力量是同牌号石墨块的 10 倍；热导率高，仅次于铝、铜，易使铸件 表面消失微裂纹。美国的 HOWmet 公司 首先对熔模石墨型壳进行了讨论，该公司的 LirOneS 先后发表了一系列专利，在 专利中详尽介绍了石墨熔模型壳的工艺和使用。3.2.2.2 氧化物陶瓷材料 目前，国际上主要使用惰性氧化物作为面层型壳材料。各种氧化物材料按其 对熔融钛合金的化学稳定性由低到高排列的挨次如下： Sio2、MgO、AbO3、CaO、 Zr

24、O2、Y2O3、ThO2o现在，用作熔模铸造型壳面层和邻面层的材料主要是Zro2、Y2O3、 CaO, Tho2由于具有放射性已基本不用。未经稳定化处理的Zro2不能用作铸钛的造型 材料，由于在高温环境中Zre)2会发生同素异形体转变，使型壳发生开裂。为了解决 这个问题，通常实行向Zrc)2中加入4%8%的CaO，经高温电 熔或燃烧后就可以得到 稳定的ZrO2固溶体，工业上大多采纳电熔ZrO2o Y2O3同ZrO2 一样，必需经过高温稳 定化处理后才能用作钛合金造型材料oY2O3陶瓷型壳具有热导率低、强度高等优点， 成为近年来国内外讨论的热点。Richerson已胜利讨论以Y2O3为主，混以少

25、量稀有重 金属氧化物制成陶瓷生锅和铸型。戴介泉等人还开发了一种名为HREMO的新型耐火 材料，是一种含Y2O36O%以上 的混合重稀土氧化物，主要成分还包括Nd203 Sm2O3 Gd2O3等，该材料较纯Y2O3廉价了很多，是一种较为抱负的铸钛耐火材料. Cae) 具有价格低廉和与熔 融钛化学稳定性好的特点始终倍受青睐，可是其工艺性不好，简 单吸潮，阻碍了它的应用。用CaCe)3作为铸型材料，铸型经I(XXrC焙烧后，使CaCO3 转化为CaO,并在700800C下浇注钛合金，可以有效地避开CaO的吸潮。无论是Cao 或碳酸钙用作铸型材料，都要经过预先的除杂处理。Rieherson的讨论以Y2

26、O3为 主， 混以少量稀有重金属氧化物制成陶瓷用锅和铸型。这种方法比较胜利，但是存在着工 艺反复、成分简单、高费用的缺点。LaSalle介绍了采纳碳酸钙预制涂料浆制备氧化钙 面层涂料，LaSalle已使用这种型壳浇注出涡轮增压器的转子。3.2.2.3 金属材料在钛合金铸造领域中，金属型也占有肯定的地位，用作铸型的金属材料主要 有铜、 钢、铸铁等，与石墨加工型一起统称为硬模系统L由于存在着工艺上的分型等难点， 这种方法很难制造出简单外形的钛铸件，而大多只在特定的铸件上使用。铸铁型价格 廉价，浇注出的钛铸件表面质量良好，但铸铁型在使用中易挠曲变形，甚至裂开，寿 命不如钢或铜。若在金属型内喷涂涂料，

27、寿命还可延长，此类铸件的粗糙度稍低于石 墨加工型。另一类金属材料即鸨、铝、车旦、锯等难熔金属粉，此类材料熔点高，与 熔融钛接触时化学稳定性好，常用于钛合金熔模精铸的面层涂料。目前，常用的方法 是鸨面层熔模精铸方法，但生产出的铸件表面 会粘结部分难熔金属粉，需进行碱洗处 理；金属面层的热导性也很高，铸件易消失冷隔缺陷。此类铸件表面粗糙度Ra为6,尺寸精度可达铸钢件水平。Basche用铝的 化合物渗透一般的陶瓷型壳，然后在还原性气氛下，如氢气状态中焙烧, 将鸨的化合 物还原，生成鸨和鸨的氧化物,这样就在耐火材料表面包覆了一层鸨。 这种型壳从肯 定程度上削减了钛的反应3.2.2.4 其它材料前人对一

28、些碳化物、硼化物、硅化物和硫化物也作了大量讨论典型的物 质包括： TiC、ZrCx Cr3C2 TiB2、M0B2 CrB2、TaB2、M0Si2 CeSo 部分碳化物(ZrC. Cr3C2) 与钛形成低熔点的共晶相。组成物质的任一组元若能与钛形成 低熔点相，那么该物质 就不行避开地会与液钛发生不同程度的化学反应。只有 TiC 和 CeS 表现出与钛的弱反 应性。4 存在的问题及展望我们我国在 TiAl 基金属间化合物熔模精密铸造方面取得了肯定的成果，但 仍存 在以下几个问题丞待解决：熔融TiAl基合金化学活泼性高，精铸过程易与型壳发 生反应，形成表面脆性层，且国外粘结剂技术实行了保密措施，这

29、就要求必需自力更 生研制适于精铸 TiAl 基金属间化合物的粘结剂，制备出具有良好 化学稳定性的型壳， 深化分析并最终解决型壳与铸件之间的严峻反应问题；TiAl基金属间化合物本身 是一种金属间化合物，密度低，浇注时静压头小， TiAl 基金属间化合物凝固收缩较大， 铸件易产生裂纹，作用力过大时会直接断裂，一 次成形率较低。因此需讨论粉料粒形、 粒度、级配、加入帮助添加剂等不同制壳 工艺，以期将型壳退让性调整到适于精铸 TiAI基合金；TiAl基金属间化合物 的室温脆性是阻碍其通向有用的瓶颈。较好的 铸态组织，既是铸态合金本身的需 要，也是热机械加工的基础。铸态组织较粗大，需 进行适当的合金化、

30、加入晶粒 细化剂、热处理等来调整铸态组织，以便得到最优的力 学性能。参考文献1 LiUJian （刘剑）,YangYi （杨屹）,LUDOng （卢东基）于 PrOCAST 真空条 件下 钛合金熔模铸造的探究JFound ry （铸造），2022, 57 （11） :1 155-1 158.2 Edard A LOria, QuoV adis.G amm a T itan ium AluminideJIntermeta Hies, 200l, 9（12） :997-1 00 1.3 刘自成，林均品，陈国良.添加W对高铝TiAl合金组织和力学性能的影响.材 料热处理学报：V ol.22, No.

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