Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金熔模铸造工艺研究

摘要

高温钛合金是应用于现代航空航天和国防领域的重要材料，也是钛合金的主要发展前沿之一，但我国这方面相对缓慢的发展进程与迫切的应用需求之间产生了巨大的矛盾，因此对于高温钛合金的深入研究必不可少。本文主要针对成分为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的600℃以上高温钛合金进行研究，采用生产效率高、尺寸精度好的熔模精密铸造技术，对其各个工艺环节进行分析和优化。全面评价和测试高温钛合金的铸造性能和热物性参数，提出与之相适应的热处理工艺和浇注方案。
　　研究了型壳面层浆料在不同粉液比时的性能变化，利用流杯法和数字旋转粘度计测得，当Y2O3粉和钇溶胶的粉液比为2.2:1时涂挂性能相对较好。三点抗弯实验得到粉液比为2.4:1时的焙烧强度增加最明显，并测得浇注后界面反应附近的显微维氏硬度变化趋势。利用线扫描的方法，通过分析三种型壳和三种合金的相互作用交叉对比结果，最终优选出最适合的组合。
　　选用水冷铜坩埚真空感应熔炼的方式，获得成分稳定均匀的多元高温钛合金铸锭。对铸态合金在β相变点附近进行2h固溶处理，然后分别进行不同温度和不同时间的时效处理。实验结果表明，固溶处理能够获得晶粒度较小的α相组织，对比不同时效工艺，结果表明高温钛合金对时效时间较为敏感，700℃保温4h可提高合金的室温性能，时间过长则使性能降低。
　　实验中通过浇注石墨型不同壁厚铸件、石墨螺旋铸型铸件评价高温钛合金的充型性能和流动性能，加入0.3B后，流动性降低了16.9％。对比熔模离心铸造和石墨型离心铸造典型阶梯型铸件，分析两种铸型材料的优缺点，间接也反映了合金的铸造性能。同时，利用显微测距法计算出了熔模离心铸造工艺中，高温钛合金的自由和受阻两种线收缩率分别为1.323%和0.653%。
　　本文针对某典型复杂薄壁筒形件进行分析，首先结合实测和JMat模拟建立完整的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系高温钛合金和TC4合金热物性参数，然后利用Anycasting铸造数值模拟软件，对零件的结构和浇注系统设计方案进行模拟和优化，并对比不同的铸造工艺参数，最终提出浇注温度为1900℃，离心转速为250rpm，开放式顶注浇注系统作为最佳的铸造工艺方案。最后对比了两种钛合金的铸造特性，预测发生缺陷的位置，为实际生产起到参考作用。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 课题研究目的和意义

1.3 国内外高温钛合金的研究现状及分析

1.4 高温钛合金的成分组织与制备方法

1.5 高温钛合金的热处理工艺

1.6 主要研究内容

第2章 实验材料的制备和研究方法

2.1 蜡模及其模具的设计与制备

2.2 浆料的配制

2.3 型壳的制备

2.4 型壳的脱蜡与焙烧

2.5 高温钛合金铸锭的熔炼和制备

2.6 实验中的测试及分析

第3章 型壳性能及其与高温钛合金的相互作用研究

3.1 引言

3.2 型壳的制备及性能研究

3.3 钛合金熔模铸造的界面反应

3.4 本章小结

第4章 高温钛合金的铸造性能和热处理

4.1 引言

4.2 合金的熔炼

4.3 合金的热处理

4.4 合金的铸造性能

4.5 本章小结

第5章 典型筒形件的数值模拟分析

5.1 引言

5.2 零件分析

5.3 热物性参数的优化

5.4 铸造工艺方案选择

5.5 浇注温度与离心转速对铸件的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

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