钛合金低成本氧化物陶瓷型壳熔模精密铸造技术研究

摘要

本文对钛合金的低成本熔模精密铸造技术进行了研究，通过对粘结剂、面层涂料及型壳各种性能的研究、型壳干燥与焙烧工艺的研究，确定了低成本氧化物陶瓷型壳的制备工艺；研究了钛合金与低成本氧化物陶瓷型壳的界面反应、钛合金的显微组织与力学性能；对熔模精密铸造充型与凝固过程进行了数值模拟，设计了浇注系统，优化了熔炼与浇注工艺参数，为实际浇注打下基础；开展了典型薄壁复杂铸件的熔模精密铸造离心浇注实验，制备出合格的铸件，并对铸件的质量和性能进行了测试，结果表明采用低成本氧化物陶瓷型壳在离心力场下能够浇注出质量和性能优良的铸件。
　　对低成本熔模精密铸造面层涂料中的耐火粉料进行了粒度级配，并对采用级配粉制备的涂料的流变性能进行了研究。研究结果表明：随着粉液比的增大，涂料粘度增大；相同粉液比情况下，当细粉含量为40％的时候，涂料具有较低的粘度；粉液比为2.4、细粉含量为40%的涂料具有较好的流变性能。
　　型壳的干燥时间随着环境温度的升高而缩短，随着环境湿度的增加而增加，当相对湿度大于70%时，型壳干燥时间显著增加；在一定范围内，空气流速的增加能够明显缩短型壳的干燥时间，当空气流速大于5m/s时，对干燥速度影响不大。
　　完全粗粉时型壳的强度最低，随着细粉含量的增加，型壳的湿强度是增加的，当细粉含量达到40%时型壳具有最大的强度，随后型壳的强度又有所降低，并且型壳断裂时的位移也变小了；型壳焙烧后的强度随着焙烧时间的延长而增大，随着焙烧温度的升高，面层型壳的抗弯强度逐渐增加。
　　根据实验结果，确定了低成本氧化物陶瓷型壳的制备工艺为：在环境温度为25℃-30℃，湿度40%-50%，空气流速2.5m/s-3m/s，干燥时间为8-10小时。型壳干燥干燥后进行焙烧，焙烧工艺为：升温至150℃后保温30分钟后迅速升温至600℃保温1小时，然后升至950℃保温2-3小时。
　　通过Miedema模型和Kohler公式，推导了三元系钛合金中各元素活度的计算公式；计算了合金元素的含量对钛合金中各元素活度的影响，发现随着Al含量的增加，Al的活度增大，而Ti和Zr的活度是减小的。而Zr含量的增加则使Ti的活度增大，使Al的活度减小；计算了熔体温度对钛合金中合金元素活度的影响规律，发现随着温度的升高，Al元素的活度是减小的，Zr元素和Ti元素的活度是增加的。
　　研究了钛合金与低成本氧化物陶瓷型壳的界面反应，结果表明，粒度级配和粉液比优化对减轻型壳与钛合金的界面反应、获得规则界面是有贡献的，特别是当粉液比为2.4、涂料中细粉含量为40%时，效果最为明显。采用XRD和XPS手段对钛合金表面相组成与生成物进行了研究，结果表明，钛合金的表面主要由型壳中的Al2O3和SiO2组成，并且存在少量的Ti、Si化合物。从界面反应结果和XRD、XPS结果都显示出由于合金元素的添加降低了Ti的活度，Ti-Al-Zr合金与型壳的界面反应和扩散程度都比纯钛合金的要轻。
　　针对大型薄壁复杂钛合金铸件，设计了三种浇注系统；分别对三种浇注系统熔模精密铸造充型过程的充型时间、温度场和速度场进行了数值模拟与分析，优选出合理的浇注系统；特别针对优选出的浇注系统的熔模精密铸造过程进行了凝固过程的数值模拟，分析了凝固过程中的温度场。
　　对蜡模的制备工艺进行了研究，制备出了高表面光洁度的蜡模，表面粗糙度平均值达到Ra=1.04μm；采用低成本氧化物陶瓷型壳的制备技术，进行了钛合金铸件的型壳的制备，并在离心力场下采用水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼炉成功地浇注出了大型薄壁复杂钛合金铸件；对浇注出的铸件进行了显微组织、力学性能与质量检测。结果表明，采用本文研究的钛合金熔模精密铸造用低成本氧化物陶瓷型壳的制备技术及相应的离心浇注工艺，能够浇注出质量优良的大型薄壁复杂钛合金铸件。

目录

钛合金低成本氧化物陶瓷型壳熔模精密铸造技术研究

STUDY ON TECHNOLOGY OF INVESTMENT CAST FOR TITANIUM ALLOY USING LOW COST OXIDE CERAMIC MOULD SHELL

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 钛合金熔模精密铸造的特点及应用

1.2.1 钛合金熔模精密铸造的特点

1.2.2 熔模精密铸造钛合金在航空航天上的应用

1.3 钛及钛合金的熔模精密铸造工艺研究

1.3.1 熔模精密铸造用造型材料

1.3.2 钛及钛合金熔模精密铸造的制壳工艺

1.3.3 钛及钛合金的熔炼技术

1.4 铸造过程计算机数值模拟的发展

1.4.1 国外铸造过程数值模拟的发展

1.4.2 国内铸造工艺数值模拟的发展

1.4.3 熔模精密铸造工艺过程的数值模拟

1.5 选题意义及本文的主要研究内容

1.5.1 选题意义

1.5.2 主要研究内容

第2章 实验材料及实验方法

2.1 造型材料的选择

2.1.1 粘结剂的选择

2.1.2 粉料及耐火材料

2.2 钛合金熔模精密铸造蜡模的制备

2.3 氧化物陶瓷型壳性能的测试实验

2.3.1 粘结剂性能的测试

2.3.2 面层涂料的制备与性能测试

2.3.3 面层型壳与背层型壳的性能测试

2.4 铸造钛及钛合金的表面观察分析与力学性能测试

第3章 低成本氧化物陶瓷型壳制壳工艺的研究

3.1 引言

3.2 面层涂料中粉料的粒度级配

3.3 面层涂料的流变性能

3.3.1 粉料细粉含量对涂料粘度的影响

3.3.2 粉液比对涂料粘度的影响

3.3.3 剪切速率对涂料流变性能的影响

3.3.4 涂料的粘度随时间的变化规律

3.3.5 涂料的悬浮稳定性研究

3.4 低成本氧化物陶瓷型壳干燥与焙烧工艺的研究

3.4.1 型壳的干燥工艺研究

3.4.2 粘结剂焙烧过程的热分析

3.4.3 型壳焙烧过程的热分析

3.4.4 焙烧温度与焙烧时间对型壳的影响

3.4.5 型壳的热膨胀特性

3.5 低成本氧化物陶瓷型壳的组织与性能研究

3.5.1 细粉含量对面层型壳组织与性能的影响

3.5.2 粉液比对面层型壳组织与性能的影响

3.6 本章小结

第4章 钛合金与型壳的界面反应及合金的组织性能研究

4.1 引言

4.2 钛合金熔体活度系数对界面反应影响分析

4.2.1 Miedema生成热模型及计算

4.2.2 三元系活度计算模型

4.2.3 Ti-Al-Zr三元合金系中元素的活度

4.3 钛合金与低成本氧化物陶瓷型壳的界面反应

4.3.1 低成本型壳熔模精密铸造钛及钛合金的显微组织

4.3.2 钛合金与型壳界面反应的物理模型

4.3.3 低成本型壳熔模精密铸造钛及钛合金的界面反应研究

4.4 钛合金表面相组成与表面成分分析

4.4.1 X射线衍射(XRD)分析

4.4.2 X射线光电子能谱(XPS)分析

4.5 熔模精密铸造钛合金的压缩性能

4.6 低成本熔模精密铸造TiAl合金的显微组织与界面反应

4.6.1 TiAl合金的金相组织观察

4.6.2 TiAl基合金铸件与型壳界面反应研究

4.7 本章小结

第5章 薄壁复杂钛合金铸件熔模精密铸造过程的数值模拟

5.1 引言

5.2 数值模拟软件的数学模型

5.2.1 充型凝固过程的数学模型

5.2.2 传热问题的基本方程

5.2.3 Niyama判据

5.3 数值模拟参数及初始条件设定

5.3.1 网格剖分

5.3.2 边界条件

5.3.3 初始条件

5.4 熔模精密铸造钛合金铸件浇注系统的设计

5.4.1 浇注系统设计原则

5.4.2 大型薄壁复杂钛合金铸件的结构特点

5.4.3 浇注系统的设计方案

5.5 钛合金构件熔模精密铸造充型过程的数值模拟

5.6 铸件凝固过程的数值模拟及缺陷预测

5.7 本章小结

第6章 大型薄壁复杂钛合金铸件的离心浇注

6.1 引言

6.2 氧化物陶瓷型壳的制备

6.2.1 蜡模模具的设计与制造

6.2.2 薄壁复杂钛合金熔模精密铸造蜡模的制备

6.2.3 熔模精密铸造钛及钛合金型壳的制备

6.3 钛合金的熔炼与薄壁复杂铸件的离心浇注

6.3.1 熔炼设备及熔炼参数

6.3.2 离心转速的确定

6.3.3 薄壁复杂钛合金铸件的离心浇注

6.4 钛合金铸件的合金成分及显微组织

6.4.1 铸件的合金成分

6.4.2 钛合金铸件的显微组织

6.5 大型薄壁复杂钛合金铸件的质量检测

6.5.1 钛合金的力学性能

6.5.2 表面质量与内部质量检测

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历