TiAl基合金连杆件底漏式真空吸铸工艺研究

摘要

TiAl基合金具有良好的性能，受到了广泛关注，被视为下一代高温轻质合金的有力竞争者，其室温延伸率低、塑性差的缺点使得开发研究TiAl合金近净成形技术成为必然，采用铸造成形技术可制备形状复杂的零件，并降低生产成本。
　　本文研究了采用底漏式真空吸铸技术成形TiAl合金连杆件的工艺特点，确定了TiAl合金连杆的铸造工艺为：采用金属型铸造模具，连杆从侧面竖直左右分型，顶注式浇注系统，一个补缩冒口，一个溢流槽，不同部位加工余量不同，在0.5～2mm内变化，拔模斜度3°。
　　利用ProCAST数值模拟技术对TiAl合金连杆件底漏式真空吸铸过程中的充型过程、凝固过程、缩孔缩松缺陷的形成进行了模拟分析，验证并优化了连杆件的铸造工艺设计。研究了底漏式真空吸铸过程中的几个主要参数对连杆铸件充填率和缩孔缩松缺陷的影响规律，其中浇注温度和吸口直径对金属液的充型凝固过程有较大影响：浇注温度越高越有利于充型，但浇注温度过高会使金属液的收缩增大，容易产生缩孔；吸口直径越大越有利于充型完整，但吸口直径过大会对合金的熔炼产生不利影响。经过模拟分析，得到了TiAl合金底漏式真空吸铸的优化工艺参数图，分析表明，当吸口直径为4mm，充型速度为1m/s时，浇注温度要不小于1600℃时才可使金属液充填铸型的比率达到100％。
　　采用3Cr2W8V热作模具钢加工了连杆件的吸铸模具，实验中对模具采取了两种改进方法，一是对模具的结构和型芯材料进行改进，将模具改进为具有活动型芯的形式，在此研究了金属型型芯和砂型型芯对成形连杆件的影响，研究表明，当采用金属型芯时，会在连杆件内部产生较大应力，出现裂纹，当采用砂型型芯时，虽然降低了应力，但是却会在铸件内部产生缩孔、气孔等缺陷。二是对模具材料进行改进，将模具改进为陶瓷型壳，即将底漏式真空吸铸工艺与熔模精密铸造工艺相结合，制备了钛合金连杆件的低成本模壳，利用改进的底漏式真空吸铸熔模精密铸造工艺成形了TiAl合金连杆件。
　　对连杆件的组织进行了分析，分析结果表明，采用金属型底漏式真空吸铸工艺得到的铸件的组织以细小的等轴晶为主，说明通过真空吸铸工艺可以细化 TiAl合金的铸态组织；对不同方法制备的连杆件的硬度值进行了测定，发现采用金属型芯制备的连杆件的硬度值比采用砂型型芯制备的连杆件的硬度值大，这是因为利用金属型芯制备的连杆铸件的组织比用砂型型芯制备的连杆件组织更细小，提高了铸件的硬度值；此外还对吸铸成形的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的薄板件进行了拉伸性能测试，实验表明经过均匀化热处理后合金的抗拉强度和室温塑性均得到提高。

目录

TiAl基合金连杆件底漏式真空吸铸工艺研究

BOTTOM POURING VACUUM SUCTION CASTING TECHNOLOGY OF TiAl ALLOY CONNECTING ROD

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 TiAl基合金研究概况

1.3 TiAl基合金的性能特点

1.4 TiAl基合金熔炼方法

1.5 TiAl基合金成形技术

1.5.1 粉末冶金

1.5.2 铸锭冶金

1.5.3 铸造成形

1.6 铸造过程计算机数值模拟

1.7 TiAl基合金小型薄壁夊杂构件应用领域

1.8 本文研究的主要内容

第2章 试验材料制备及试验方法

2.1 试验材料制备

2.2 充型凝固过程数值模拟

2.3 TiAl基合金连杆件吸铸成形

2.3.1 连杆件金属模具设计

2.3.2 连杆件模具的改进

2.3.3 连杆件熔模型壳制备

2.4 组织性能分析

2.4.1 组织分析

2.4.2 合金显微硬度测试

2.4.3 室温拉伸性能测试

第3章 连杆铸造工艺设计及充型凝固过程数值模拟

3.1 引言

3.2 连杆件铸造工艺性分析

3.2.1 浇注方式和分型面的确定

3.2.2 铸造工艺基本参数的确定

3.2.3 浇注系统设计

3.3 连杆件铸造工艺方案优化

3.3.1 ProCAST数值模拟过程及参数选择

3.3.2 浇注系统优化

3.3.3 溢流槽设计

3.4 连杆铸造过程数值模拟及工艺参数优化

3.4.1 吸口直径对充型凝固过程的影响

3.4.2 浇注温度对充型凝固过程的影响

3.4.3 浇注速度对充型凝固过程的影响

3.4.4 底漏式真空吸铸连杆工艺参数优化及缺陷预测

3.5 本章小结

第4章 TiAl基合金连杆件底漏式真空吸铸

4.1 模具设计

4.1.1 模具材料的选择

4.1.2 连杆件模具设计

4.1.3 排气通道的设计

4.2 模具制造及铝合金吸铸试验

4.2.1 模具制造

4.2.2 模具定位

4.2.3 模具校验及铝合金吸铸试验

4.3 模具改进及连杆件吸铸实验

4.3.1 模具改进

4.3.2 金属型芯模具吸铸成形连杆件

4.3.3 砂型型芯模具吸铸成形连杆件

4.3.4 熔模型壳模具吸铸成形连杆件

4.4 本章小结

第5章 底漏式真空吸铸成形TiAl基合金组织与力学性能分析

5.1 引言

5.2 Ti-47Al-2Cr-2Nb合金吸铸薄板件组织分析

5.3 Ti-47Al-2Cr-2Nb合金吸铸连杆件组织分析

5.4 Ti-47Al-2Cr-2Nb合金显微硬度测试

5.5 Ti-47Al-2Cr-2Nb合金室温拉伸性能

5.6 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢