基于正交试验的铸造高Nb-TiAl合金收缩率研究

采用正交试验法研究了几何形状、是否受阻收缩和试样尺寸3个因素对两种高Nb-TiAl合金熔模铸造的线收缩率的影响。结果表明:Ti_45Al_8Nb平均线收缩率为2.12%〜3.28%,Ti_48Al_7.5Nb的平均线收缩率为2.55%~3.39%,后者线收缩率更大。受阻收缩试样在非受阻方向上的线收缩率比自由收缩试样的线收缩率高出44.8%77.7%,几何形状与尺寸对线收缩率影响较小,凝固收缩受阻情况对线收缩率影响较大。随着试样尺寸的增加,线收缩量虽然增大100%,但线收缩率逐渐减小到20%.

基于ProCAST的高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造

通过铸造模拟软件ProCAST实现高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造充型凝固过程的模拟仿真,研究浇注充型工艺对合金熔体充型、缩孔缩松等充型凝固特性的影响,优化相应工艺;进行浇注实验与铸件的无损检测分析,并进行铸件的解剖分析验证缩孔缩松分布;使用附注试棒研究叶轮在室温和高温下的力学性能。结果表明:ProCAST软件对高Nb-TiAl铸件缩孔缩松预测较为准确,通过模拟仿真预测结果优化了工艺方案从而避免了铸件中大尺寸缩孔缩松的形成,在最终的铸件中只存在尺寸小于22μm的显微缩孔;所有铸件均实现完整充型,铸件室温抗拉强度约580 MPa,850℃高温抗拉强度约450 MPa。

浇注系统对离心铸造TiAl合金叶片成形的影响

采用数值模拟方法研究了浇注系统对离心铸造TiAl合金叶片成形的影响,并根据熔体充型特征和充型温度对不同离心半径、叶片长度方向与水平方向夹角、叶片弦宽方向与离心力方向夹角的TiAl合金叶片的成形进行了分析。结果表明,在叶片弦宽方向与离心力方向夹角为90°的条件下,首股熔体充填叶片进气边,后续熔体充填排气边并与首股熔体汇合后完成叶片充型。离心半径由100 mm增加至200 mm,熔体紊流倾向增大,熔体充填至近叶冠排气边处的温度由1533℃提高至1545℃。叶片长度方向与水平方向夹角由30°增至60°,熔体紊流倾向减小,熔体充填至近叶冠排气边处的温度由1543℃降低至1537℃。叶片弦宽方向与离心力方向夹角由30°增大至90°,首股熔体由充填叶片排气边转变为充填进气边,由不发生汇流转变为发生汇流,随后完成叶片充型,熔体紊流倾向增大,熔体充填至近叶冠排气边处的温度由1533℃提高至1542℃。采用离心半径为150 mm,叶片长度方向与水平夹角为45°,叶片弦宽方向与离心力方向夹角为30°的浇注系统进行了TiAl合金叶片离心浇注试验,叶片完整成形,无欠注、冷隔等成形缺陷,从而验证了数值模拟研究得到的工艺方案的可行性。

高Nb-TiAl多孔合金的制备及其焊接接头孔隙结构与性能

以Ti、Al和Nb元素混合粉末为原料,采用粉末冶金固态烧结法制备出了Ti-48Al-6Nb多孔合金,并对其进行了氩弧焊接。对多孔合金的生成相、膨胀率、孔隙结构以及焊接接头的孔隙结构进行表征。利用电子万能实验机对焊接接头的拉伸性能进行了测试。结果表明,烧结温度由1100℃提高至1200℃,孔隙率增加,元素扩散和固态相变更充分。在焊接接头处,多孔合金孔隙结构被破坏,形成新的孔结构,抗拉强度降低。

Ti_3Al合金中α_2相的比例及分布特征对其力学性能的影响

目的优化Ti3Al合金的塑性,促进此类合金的应用。方法采用扫描电镜及分离式霍普金森压杆系统对Ti3Al合金中α_2相的比例、形状及尺寸等微观组织进行观察及动态力学性能的测试,并分析了组织变化对其动态力学性能的影响及影响机理。结果经固溶热处理后,Ti-24Al-14Nb合金中初生α_2相的相比例从47.5%增加到56.8%,α_2相板条逐渐长大、变宽;固溶+时效热处理后,合金中鱼鳞状的初生α_2相向板条集束状的α_2相转变,粗大的初生α_2相板条间析出大量细小的针叶状次生α_2相。B2相中Al元素含量的下降,Al元素与B2相的固溶强化作用减弱,导致B2相的强度下降,塑性提高。同时微观组织细化,会增加合金中α_2相和B2相在压缩变形过程的变形协调性,使得合金塑性明显提高。结论固溶时效可以改善和提升Ti3Al合金的塑性。

凝固模式对定向凝固TiAl-Nb合金组织和力学性能影响

目的研究凝固模式对Ti Al-Nb合金定向凝固组织和力学性能的影响。方法利用Bridgman定向凝固方法制备了单一β、亚包晶、过包晶以及单一α相4种凝固模式的Ti Al-Nb合金,对显微组织进行观察,并进行室、高温拉伸性能测试及断口形貌分析。结果单一β凝固模式柱状晶明显倾斜,其他凝固模式合金的柱状晶挺直且宽度较均匀,除单一α凝固合金中片层方向近似与定向凝固方向平行外,其他模式凝固合金中大部分片层方向与定向凝固方向呈近45°夹角;拉伸性能结果显示,亚包晶合金室温和高温抗拉强度最高,分别为429和483 MPa,单一α相合金室温和高温抗拉强度最小,分别为281和204 MPa。结论亚包晶合金其室温和高温拉伸性能均高于其他凝固模式的合金性能,但定向凝固试样制备过程中产生Y_2O_3颗粒夹杂,导致拉伸试验过程容易形成应力集中,致使定向凝固Ti Al-Nb合金较早发生断裂。

热暴露对TiAl合金喷丸表层组织的影响

研究了Ti-47Al-2Cr-2Nb合金喷丸表层组织在服役温度范围内热暴露24h后的变化。结果表明,在热暴露后,喷丸表层组织分为两层。700℃热暴露后,表层组织由靠近喷丸表面的细晶层和远离喷丸表面的残留变形层构成,厚度分别为5μm和10μm。细晶层由再结晶γ晶粒组成,残留变形层主要由变形片层组成,也存在少量细小的γ晶粒。900℃热暴露后,表层组织由靠近喷丸表面的细晶层和远离喷丸表面的粗晶层构成,厚度分别为10μm和75μm。细晶层由再结晶γ晶粒组成,粗晶层主要由拉长的粗γ晶粒组成,为不完全再结晶。

不同离心浇注方式对TiAl合金涡轮成形的影响

基于ProCAST软件研究了离心浇注方式对TiAl合金涡轮成形的影响,并根据熔体充型特征和充型温度,对顶注、侧注和底注式离心铸造TiAl合金涡轮的成形过程进行了分析。结果表明,离心顶注由于熔体充型稳定性较好,气体可全部排出涡轮型腔,充型过程温度下降较小,最有利于TiAl合金涡轮成形。离心侧注熔体充型稳定性较好,但由于气体被排至不易开排气孔的叶片尖端,且最后充型位置熔体温度较低,不同叶片间熔体充型温度相差较大,不利于TiAl合金涡轮成形。离心底注由于熔体充型稳定性最好、气体被排至易于开排气孔的涡轮顶端,且不同叶片间熔体充型温度较低但相差较小,在更高浇注温度或型壳预热温度条件下适合于TiAl合金涡轮成形。最终,采用顶注式离心铸造进行实际浇注试验,获得了完整成形的TiAl合金涡轮。