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1、钛铝合金熔模铸造技术钛铝合金熔模铸造技术 9339 字字 投稿：投稿：雷舀舁雷舀舁摘要：T iA1 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广阔的应用前景。熔模精密铸造是当前普遍采用的制备 T iA l 基金属间化合物的方法。主要介绍了熔模精密铸造 T iA l 基合金的铸件以及型壳用粘结剂及耐火材料的发展现状，T iA l 合金的熔炼技术及最新研究进展，并对 T iA l 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：TiAl；金属间化合物；熔模铸造1 前言随着现代工业的发展，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
2、度和抗氧化性能上已无法满足要求。TiAl 基金属间化合物(也称 TiAl 合金)是一种新型轻质的高温结构材料，密度不到镍基合金的 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和高温力学性能，使用温度可达到 7001 000。这使其倍受研究工作者的重视，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，具有广阔的应用前景。目前，T iAl 基金属间化合物大部分采用铸锭冶金技术(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 TiAl 基金属间化合物室温塑性低、
3、成形性差，所以，采用熔模精密铸造技术是制作 TiAl 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形状复杂、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1。可显著提高原材料的利用率（可达 75%90%） ，特别是 1970 年代末以来，热等静压技术（HIP）广泛应用于钛合金铸件，使得某些铸造缺陷得以消除，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 T iA1 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发展现状，T iA1 基金属间化合物合金的熔炼技术，并对 TiA
4、l 基金属间化合物熔模精密铸造技术提出了今后的展望。2 熔模铸造 T iA l 基合金的研究进展2.1T iA l 基金属间化合物的发展现状TiAl 基金属间化合物是当今金属间化合物研究领域的最热点。在 TiAl 基合金的应用研究方面，美、日和西欧等发达国家都做了大量的研究工作。美国 Pratt hitney Aircraft 实验室、GE 公司、Howmet 公司、德国 GK SS 研究所、汉堡大学、亚琛工业大学、英国伯明翰大学、欧洲 ABB 公司、奥地利 Plansee 公司、日本 HII 公司、京都大学、日本东北大学和川崎重工业株式会社等多家单位开展了 TiAl 基金属间化合物的研究，并
5、成功地使其得到应用2。目前工程用 TiAl 基金属间化合物已形成两个不同使用温度的级别，高 TiA1 基金属间化合物(高 NbTiAl 合金)和普通TiAl 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能力，较普通 TiAl 基金属间化合物有更广阔的应用前景，含(510)Nb 的 TiA l 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，C r 和 M n)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。Chen G.L 等人研究表明，当 Nb 含量高于
6、5%(摩尔分数)时，强化效果十分明显。Ti 与 Nb 的原子尺寸相差很小，仅为 0.2%。用原子定位沟道增强显微分析（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 / 相转变温度，缩小了 相区。这种相稳定性的改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非常重要的。高铌合金中存在大量的孪晶，被认为是Nb 的加入改变了层错能的缘故。可以推测，在含 Nb 合金中孪晶活动的增加有益于材料在低温下的塑性变形，因为这弥补了 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减少凝固偏析的合金元素3，在锻造合金中的添加量要稍
7、微少于在铸造合金中的添加量。W 通过固溶强化，而 C 通过沉淀强化4，都可显著提高高温强度和蠕变变形抗力。据此，高铌 TiAl 高温合金的设计成分范围为 Ti-Al4546-Nb69（-W，Mn，Hf)x-(C，B)y-(Y，RE)z。目前，合金成分化研究尚没有完善，仍需要做大量的工作。2.2 熔炼技术的最新研究动态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 种冶金熔炼方法被成功地应用于 TiAl 基金属间化合物的生产：
8、凝壳感应熔炼(Induction SkullMelting)、真空电弧熔炼(Vacuum A rcMelting)和等离子束熔炼(PlasmaMelting)。3 种熔炼方法都采用了真空及水冷坩埚技术。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，这对成分精确度和均匀性要求较高的 TiAl 基金属间化合物构成不利影响。电磁冷坩埚悬浮熔炼技术是将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内，利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坩埚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。该技术充分利用了电磁场和金属相互作用的热效应和力
9、效应，具有很多优点：金属在水冷铜坩埚中悬浮或软接触，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；电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀；适用范围广，可以熔炼不同成分的合金和材料；高温熔体对冷坩埚无实质性腐蚀，使用寿命长。1970 年英国成功地进行了感应悬浮熔炼的实验，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、法国等先进国家发展起来。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，生产出了铸件壁厚最小可达 0.5 mm、外形轮廓非
10、常好的铸件。日本大同特殊钢公司开发出的 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。目前需要研制熔化能力更大、熔炼时间短的大型熔炼炉，进一步提高金属利用率，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。钢铁研究总院在 863 高技术项目资助下，自行开发研制了坩埚容量为 0. 6 L 的冷坩埚真空感应悬浮熔炼炉5。哈尔滨工业大学从德国 ALD 公司引进的水冷铜坩埚真空感应熔炼炉6，具有 20 世纪 90 年代世界先进水平。利用该熔化炉熔炼TiAl 基金属间化合物时，熔体温度易于控制，合金成分均匀、准确，间隙元素含量低(3 T Ai l 基金属
11、间化合物的熔模铸造技术介绍3.1T iA l 基金属间化合物铸件项目美国在 TiAl 基金属间化合物上的研究和应用一直处于世界领先地位7。从 20 世纪 90 年代后期开始，许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。一大批满足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 Ti-48A l-2Cr-2Nb(x/%)，简称 Ti-4822，因其在生产中相对易控制化学成分、易成型、易焊接等特点而脱颖而出。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帮助下，经过
12、20 余年的努力，目前终于形成了经济地，大规模生产航空用 TiAl 基金属间化合物部件的精密铸造能力。与此同时，在美国宇航局(NASA)的协助下，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足设计要求：平均屈服强度为 358 MPa，平均极限抗拉强度为 468MPa，平均延伸率为 2.2%。和美国 HSCT 相对应，日本政府也于 2000 年启动了自己的民用超音速飞机计划(Environmentally Compatible Propulsion System fo
13、r the Next Generation SuperSonic Transport Research Program ESPR)。这是日本政府已实施了 10 年的 HYPR 计划的继续，旨在开发出高速民用客机推进系统所需的材料和技术。GE 和 PCC共同为其提供了 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 TiAl基合金铸件进行了广泛的研究，这些铸件主要由 PCC 及Howmet 提供。美国 Howmnet 公司研究的 TiAl 合金增压涡轮及进、排气阀已在一定范围商业化。PCC 精铸出大型TiAl 基合金发动机扩压器，铸件外径 61cm，宽
14、6.25 cm，厚 5 cm，外围有 16 个脊，只有两处需要焊接修复，并已成功进行了 650实验。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 TiA l 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原因，都没有使 T iAl 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。这个局面一直延续到 2006 年 GE，PCC 和 HII 共同成功地完成了，为波音
15、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。这个采用精密铸造和机加工工艺生产的叶片，使大规模生产 TiAl 基金属间化合物部件成为现实。组装好的第 6、第 7 级低压涡轮叶片参加了 2006 年 4 月 GEnX 发动机的第一次地面试车；并在 2007 年 2 月成功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，研究最集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 基合金的研究已取得成功。德国材料研究所 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(700，1600 r/min)成
16、功进行了旋转实验。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 TiAl 基合金的比性能优势。日本京都大学新开发 Ti-47A1-Fe-B 合金车用整体精铸发动机8，外径 80 mm 的增压涡轮，来替代铸造镍基高温合金，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省启动时间，加速响应时间显著减少，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，采用反压铸造法新技术铸造的 TiAl 金属间化合物增压涡轮已应用于三菱等跑车。TiAl 涡轮增压器应用最成功的是在日本，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
