论文部分内容阅读
γ-TiAl合金因密度低、比强度高、熔点高和抗高温氧化性能良好等优点,成为新一代汽车发动机气阀用理想的轻质高温结构材料。本文通过金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射、室温拉伸试验、壳型抗弯强度测试等方法,系统地研究了四种TiAl基合金的铸造特性,熔模铸造用陶瓷壳型的性能和制备工艺,不同面层陶瓷壳型铸造气阀的进氧机理以及合金的返回料应用等几个关键问题。
Ti47Al2Nb1Cr1W0.2Si,Ti45Al8Nb1B,Ti46Al1B和Ti48Al1B合金(以下分别简称47-2-1-1,45-8-1,46-1和48-1合金)铸造特性研究结果表明,汽车气阀的最佳铸造工艺参数为:离心转速420r/min,壳型预热温度950℃,过热度150℃～170℃；四种合金的实际固/液相线温度区间分别如下:47-2-1-1合金为1465～1520℃;45-8-1合金为1550～1610℃；46-1合金为的1465～1525℃；48-1合金为1465～1505℃。发现四种合金中46-1合金具有最好的铸造性能,可以获得成型率高且低氧的高质量气阀,45-8-1合金次之,再者为47-2-1-1合金,48-1合金最后。通过这部分研究工作,最终使四种合金铸造气阀的成型率稳定的达到95％以上。
研究熔模铸造合金用陶瓷壳型发现,以铝溶胶和钛溶胶为粘结剂的面层浆料胶凝速度较快,浆料稳定性差,制备的壳型表面掉粉严重,两者都不宜作为熔模铸造浆料用粘结剂。对于硅溶胶为粘结剂的壳型来说,除具有陶瓷壳型的抗弯强度随焙烧温度升高而增大具有普遍性规律,其强度还与粘结剂中SiO2含量有关,SiO2含量越高壳型的强度越大。解决了铸造气阀表面产生的微裂纹的问题,阐述了壳型强度是影响TiAl基合金气阀表面质量,产生表面微裂纹的主要因素,当壳型强度小于7.0MPa时,铸造气阀可避免产生表面微裂纹。发明了一种低成本的Y2O3面层材料壳型的制备方法,制备的壳型热力学稳定性好、质量优异且可用于铸造TiAl基合金气阀大规模生产。
研究两种陶瓷壳型铸造气阀的进氧机理,确定Al2O3面层材料壳型的内表面主要由Al2O3及少量的SiO2和Al2SiO5组成。Y2O3面层材料壳型的内表面由Y2O3和少量的Y2SiO5组成。46-1合金从Y2O3壳型中吸氧比从Al2O3壳型少约0.02wt％左右。Al2O3面层材料壳型铸造46-1合金气阀铸件时,反应层厚度约为120μm,而Y2O3面层材料壳型与合金的应层厚度仅为60μm左右,壳型与熔融TiAl基合金反应的主要产物为硅。
47-2-1-1合金和48-1合金返回料应用研究结果表明,随合金返回次数增加,47-2-1-1合金中的铝元素有一定烧损,而48-1合金主成分基本不变,但两种合金铸件氧含量均显著增加,且48-1合金比47-2-1-1合金氧含量增加更快。两种合金晶粒尺寸都随返回次数的增加而减小,存在一种晶粒细化现象。研究揭示48-1合金的晶粒细化是氧和硼共同作用的结果。提出细化晶粒的机制为:氧的作用是减小了α相中的硼含量,随着TiAl基合金中氧含量的增加,凝固形成的α相中溶解氧量增大,使硼元素在α相中的溶解度减小。大量的硼元素因为溶解度的限制,从α相中排入液相中,导致固/液界面前沿的硼含量升高,达到“成分过冷机制”的临界值而形成硼化物,从而限制α晶粒的进一步生长,达到细化晶粒的效果。
研究表明在熔炼46-1合金方面,Y2O3坩埚稳定性好于CaO坩埚,更能有效控制合金的进氧。Y2O3坩埚比CaO坩埚熔炼的合金氧含量低0.01wt％以上,Y2O3材料坩埚更适宜熔炼TiAl基合金。随返回次数增多,合金中Al元素含量保持稳定,氧含量增加。采用Y2O3坩埚或CaO坩埚与Y2O3面层材料壳型组合的方式,可实现46-1合金材料的一次完全返回应用,材料的利用率可提高至60％以上,所铸造的合金室温拉伸性能与新原材料铸造的合金相当。揭示热等静压在不影响合金的组织形态情况下可有效消除铸造46-1合金气阀中的疏松缺陷。