ia1基金屬間化合物的應(yīng)用前景

1tial基金屬間化合物的應(yīng)用隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，高密度低密度材料越來越受到重視。目前，一般認(rèn)為的ti合金無法滿足強(qiáng)度和耐候性的要求。TiAl基金屬間化合物(也稱TiAl合金)是一種新型輕質(zhì)的高溫結(jié)構(gòu)材料,密度不到鎳基合金的50%,兼有金屬和陶瓷的性能。它們不僅具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛、耐蝕、耐磨、耐高溫以及優(yōu)異的抗氧化性等優(yōu)點,而且具有優(yōu)異的常溫和高溫力學(xué)性能,如圖1所示,其使用溫度可達(dá)到700~1000℃。這使其倍受研究工作者的重視,成為航空航天及汽車發(fā)動機(jī)用耐熱結(jié)構(gòu)件的極具競爭力的材料,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,TiAl基金屬間化合物大部分采用鑄錠冶金技術(shù)(如擠壓、鍛造、軋制、板材成型)、粉末冶金技術(shù)(包括模壓和擠壓燒結(jié))和熔模精密鑄造等成形方法。由于TiAl基金屬間化合物室溫塑性低、成形性差,所以,采用熔模精密鑄造技術(shù)是制作TiAl基金屬間化合物構(gòu)件最可行的方法之一,與其他方法相比,熔模精密鑄造可以一次鑄成形狀復(fù)雜、薄壁的零件,并且鑄件具有高的尺寸精度和低的表面粗糙度。本文介紹了熔模精密鑄造TiA1基金屬間化合物合金及鑄件的最新進(jìn)展,型殼用粘結(jié)劑及耐火材料的發(fā)展現(xiàn)狀,TiA1基金屬間化合物合金的熔煉技術(shù),并對TiAl基金屬間化合物熔模精密鑄造技術(shù)提出了今后的展望。2在模型中，鈦al基金的成立2.1材料基礎(chǔ)研究TiAl基金屬間化合物是當(dāng)今金屬間化合物研究領(lǐng)域的最熱點。在TiA1基合金的應(yīng)用研究方面,美、日和西歐等發(fā)達(dá)國家都做了大量的研究工作。美國Pratt-WhitneyAircraft實驗室、GE公司、Howmet公司、德國GKSS研究所、漢堡大學(xué)、亞琛工業(yè)大學(xué)、英國伯明翰大學(xué)、歐洲ABB公司、奧地利Plansee公司、日本IHI公司、京都大學(xué)、日本東北大學(xué)和川崎重工業(yè)株式會社等多家單位開展了TiAl基金屬間化合物的研究,并成功地使其得到應(yīng)用。表1列出了國外幾種典型的TiAl基金屬間化合物的性能。目前工程用TiA1基金屬間化合物已形成兩個不同使用溫度的級別,高溫TiA1基金屬間化合物(高Nb-TiA1合金)和普通TiA1基金屬間化合物,基礎(chǔ)合金成分主要差別是在Nb含量上。高Nb合金由于具有良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化能力,較普通TiAl基金屬間化合物有更廣闊的應(yīng)用前景,含(5~10)Nb的TiAl基金屬間化合物被認(rèn)為具有良好的綜合性能。少量多元和多量少元是目前合金化的兩個趨勢,即通過高合金化(如高Nb,V,Cr和Mn)引入少量高溫β相和添加少量的C,B和Re等改善組織及性能。在國家863項目的支持下,北京科技大學(xué)的陳國良等人對Ti-A1-Nb系中的高Nb-TiA1合金相區(qū)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究,在1991年得到國家發(fā)明專利。1990年開始在國內(nèi)外召開的國際會議上發(fā)表研究成果,特別是1990年和1992年兩次在美國召開的國際會議上做了系統(tǒng)的介紹,產(chǎn)生較大影響。陳國良在高Nb-TiA1合金方面做了大量的基礎(chǔ)研究工作,主要包括:Ti-Al-Nb三元系相圖、成分—力性圖、成分—抗氧化性圖等[18,19,20,21,22,23];高Nb-TiA1合金中形變誘導(dǎo)界面結(jié)構(gòu)變化、形變誘導(dǎo)微區(qū)有序變化和誘導(dǎo)相變的高分辨研究;形變孿晶和孿晶交截研究;Ti-A1-Nb系中原子分布的計算和實驗研究、工程合金的發(fā)展等。國內(nèi)對TiAl基金屬間化合物鑄造技術(shù)的研究也已開展多年,并有鑄造TiAl排氣閥和葉輪的研究報道。北京鋼鐵研究總院、北京航空材料研究所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等多家單位在低成本氧化物陶瓷型殼的研制、TiAl基金屬間化合物的熔煉、鑄造工藝的數(shù)值模擬、TiA1基金屬間化合物合金的澆注實驗方面和大型復(fù)雜薄壁鑄件方面也進(jìn)行了卓有成效的研究。借助于計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)研究TiA1的凝固過程和收縮缺陷形成機(jī)制,具有重要的理論意義和實用價值。但是TiA1的熔煉和成形過程不易控制,建立凝固過程的物理數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行實驗驗證極為困難,有關(guān)TiA1基金屬間化合物等航空高溫材料的成形過程數(shù)值模擬研究鮮有報道。梁作儉等根據(jù)TiA1基金屬間化合物的凝固物理特性及其成形特點建立了TiA1基金屬間化合物熔模型殼離心澆注近凈形鑄造過程的數(shù)學(xué)模型,從理論上導(dǎo)出了離心壓力下TiA1鑄件收縮和補(bǔ)縮的數(shù)學(xué)模型,模擬計算和分析TiA1增壓渦輪的凝固傳熱及缺陷形成過程,以幫助技術(shù)人員預(yù)測鑄件缺陷,優(yōu)化生產(chǎn)工藝,提高鑄件質(zhì)量,降低試制費用,縮短生產(chǎn)周期。2.2tia1基金屬間化合物的鑄造技術(shù)TiAl基金屬間化合物在高溫時具有高的化學(xué)活性,其熔煉過程中存在很多困難,比如合金元素熔煉過程反應(yīng)熱高,對間隙元素敏感性高,合金元素含量高,合金成分容錯度小,合金中各元素物性差別大,性能對組織敏感性高等。目前已有3種冶金熔煉方法被成功地應(yīng)用于TiA1基金屬間化合物的生產(chǎn):凝殼感應(yīng)熔煉(InductionSkullMelting)、真空電弧熔煉(VacuumArcMelting)和等離子束熔煉(PlasmaMelting)。3種熔煉方法都采用了真空及水冷坩堝技術(shù)。但這些方法熔煉TiA1基金屬間化合物均有所不足,如所形成的熔池較淺,熔體溫度難以維持,這對成分精確度和均勻性要求較高的TiA1基金屬間化合物構(gòu)成不利影響。電磁冷坩堝懸浮熔煉技術(shù)是將分瓣的水冷銅坩堝置于交變電磁場內(nèi),利用交變電磁場產(chǎn)生的渦流熱熔化金屬,并依靠電磁力使金屬熔體與坩堝壁保持軟接觸或者非接觸狀態(tài),并對爐料進(jìn)行感應(yīng)熔煉或者成形的技術(shù)。該技術(shù)充分利用了電磁場和金屬相互作用的熱效應(yīng)和力效應(yīng),具有很多優(yōu)點:①金屬在水冷銅坩堝中懸浮或軟接觸,可以使金屬沒有污染地熔化;②感應(yīng)加熱可以熔化高熔點的金屬;③電磁力的強(qiáng)烈攪拌使熔體組織成分均勻;④適用范圍廣,可以熔煉不同成分的合金和材料;⑤高溫熔體對冷坩堝無實質(zhì)性腐蝕,使用壽命長。1970年英國成功地進(jìn)行了感應(yīng)懸浮熔煉的實驗,并申請了專利;1980年美國硅鐵(Duriron)公司將感應(yīng)懸浮熔煉推向了工業(yè)化生產(chǎn)。近年來,懸浮熔煉方法倍受青睞,在美國、俄羅斯、德國、日本、法國等先進(jìn)國家發(fā)展起來。日本大同特殊鋼公司和法國的TARAMM公司將懸浮熔煉與真空吸鑄法、真空壓鑄法以及離心鑄造工藝相結(jié)合,生產(chǎn)出了鑄件壁厚最小可達(dá)0.5mm、外形輪廓非常好的鑄件。日本大同特殊鋼公司開發(fā)出的LEVICAST技術(shù),可以熔煉出高質(zhì)量的TiAl基金屬間化合物,并用于大規(guī)模生產(chǎn)。目前需要研制熔化能力更大、熔煉時間短的大型熔煉爐,進(jìn)一步提高金屬利用率,降低熔煉成本。國內(nèi)目前應(yīng)用最多的還是電弧爐和電子束爐。鋼鐵研究總院在863高技術(shù)項目資助下,自行開發(fā)研制了坩堝容量為0.6L的冷坩堝真空感應(yīng)懸浮熔煉爐。哈爾濱工業(yè)大學(xué)從德國ALD公司引進(jìn)的水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐,具有20世紀(jì)90年代世界先進(jìn)水平。利用該熔化爐熔煉TiA1基金屬間化合物時,熔體溫度易于控制,合金成分均勻、準(zhǔn)確,間隙元素含量低(<3.0×10-2)。但該技術(shù)在熔煉TiAl基金屬間化合物方面還有許多問題需要解決:如真空熔煉TiA1基金屬間化合物時合金元素的揮發(fā)行為;熔煉(Ti+A1)混合爐料時凝殼形成過程及對合金成分的影響;研究熔煉過程中熔煉功率、爐料量、熔體溫度及凝殼尺寸之間的關(guān)系;研究不同條件下熔煉過程及工藝參數(shù)優(yōu)化等。3tial基金是一種間化合物的鑄造模型3.1tial基金屬間化合物在航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用美國在TiAl基金屬間化合物上的研究和應(yīng)用一直處于世界領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)90年代后期開始,許多以在飛機(jī)發(fā)動機(jī)上實際應(yīng)用TiAl基金屬間化合物為目的的政府和企業(yè)的項目紛紛上馬。一大批滿足發(fā)動機(jī)質(zhì)量要求的靜止部件和動部件被設(shè)計、制造出來。在這一過程中,美國通用電氣公司(GE)設(shè)計的Ti-48Al-2Cr-2Nb(x/%),簡稱Ti-4822,因其在生產(chǎn)中相對易控制化學(xué)成分、易成型、易焊接等特點而脫穎而出。在諸如美國精密鑄件公司(PCCStructurals,Inc.)等專業(yè)從事精密鑄造的單位的幫助下,經(jīng)過20余年的努力,目前終于形成了經(jīng)濟(jì)地,大規(guī)模生產(chǎn)航空用TiAl基金屬間化合物部件的精密鑄造能力。與此同時,在美國宇航局(NASA)的協(xié)助下,和鑄造工藝幾乎具有同等重要意義的TiAl基金屬間化合物焊接工藝也在本世紀(jì)初開發(fā)完成,并被應(yīng)用到大規(guī)模生產(chǎn)上。Ti-4822有很多成功的應(yīng)用例子。在20世紀(jì)90年代,最為著名的就是它在美國NASA主導(dǎo)的民用超音速飛機(jī)(HighSpeedCivilTransport-HSCT)發(fā)動機(jī)排氣噴嘴部分的應(yīng)用。圖2是HSCT發(fā)動機(jī)的設(shè)計概念圖,以及用于排氣噴嘴處的TiAl基金屬間化合物的部件。由于這些大型薄壁TiAl基金屬間化合物的flap和beam很難用鍛造和機(jī)加工的工藝生產(chǎn)出來(最薄處不到3mm),精密鑄造就成為制造這些部件的唯一選擇。PCC公司在1998年成功地完成了上述Ti-4822部件鑄造,見圖3。其中的close-outbeam還被電子束焊接后,通過了地面試驗平臺測試。這些由精密鑄造生產(chǎn)出的Ti-4822,其室溫的機(jī)械性能完全滿足設(shè)計要求:平均屈服強(qiáng)度為358MPa,平均極限抗拉強(qiáng)度為468MPa,平均延伸率為2.2%。和美國HSCT相對應(yīng),日本政府也于2000年啟動了自己的民用超音速飛機(jī)計劃(EnvironmentallyCompatiblePropulsionSystemfortheNextGenerationSuperSonicTransportResearchProgram-ESPR)。這是日本政府已實施了10年的HYPR計劃的繼續(xù),旨在開發(fā)出高速民用客機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)所需的材料和技術(shù)。GE和PCC共同為其提供了Ti-4822的環(huán)形側(cè)板支持件。圖4是此部件鑄造和機(jī)加工后的照片。除此之外,10余年來,美國空軍,海軍以及歐洲的一些航空發(fā)動機(jī)公司在TiAl基金屬間化合物的開發(fā)上也投入了相當(dāng)多的人力、物力。但是在很長的一段時期里,不管是超音速飛機(jī)的發(fā)動機(jī)也好,或其他現(xiàn)役、新機(jī)發(fā)動機(jī)上的部件也好,由于商業(yè)和技術(shù)方面的各式各樣的原因,都沒有使TiAl基金屬間化合物真正大規(guī)模地進(jìn)入到航空部件的生產(chǎn)上去。世界上大多數(shù)和TiAl基金屬間化合物有關(guān)的工作都局限于一兩個部件的示范性研發(fā)。這個局面一直延續(xù)到2006年GE,PCC和IHI共同成功地完成了,為波音787飛機(jī)配套的,GEnX發(fā)動機(jī)低壓渦輪第6和第7級Ti-4822葉片的生產(chǎn)。這個采用精密鑄造和機(jī)加工工藝生產(chǎn)的葉片,使大規(guī)模生產(chǎn)TiAl基金屬間化合物部件成為現(xiàn)實。組裝好的第6、第7級低壓渦輪葉片參加了2006年4月GEnX發(fā)動機(jī)的第一次地面試車;并在2007年2月成功地參與完成了第一次飛行試驗。3.2鈦合金熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展歷程1965年美國發(fā)布了第一個鈦的熔模精密鑄造技術(shù)專利,20世紀(jì)70年代初,鈦合金精鑄件被正式應(yīng)用到航空工業(yè)上,自此之后,鈦合金熔模鑄造技術(shù)得到了比較快的發(fā)展,熔模鑄造鈦合金的發(fā)展史,從某種程度上也可以說就是型殼的發(fā)展過程。型殼的制備是整個TiAl基金屬間化合物熔模鑄造工藝的最大難點,在制殼工藝已相對成熟的情況下,選擇合適的粘結(jié)劑和耐火材料顯得尤為重要。3.2.1粘結(jié)劑和粘結(jié)劑的選擇粘結(jié)劑是TiAl基金屬間化合物熔模鑄造中型殼的重要原材料,是制殼工藝中的難中之難,它直接影響型殼、鑄件質(zhì)量,生產(chǎn)周期和成本。水玻璃、硅酸乙酯等鑄造常用粘結(jié)劑,只能用作TiAl基金屬間化合物鑄造型殼的背層材料,對于面層,需要的是能夠在煅燒后,生成比SiO2更穩(wěn)定氧化物(如Al2O3,ZrO2,CaO和Y2O3等)的粘結(jié)劑。保證型殼面層的惰性是選擇面層粘結(jié)劑的主要原則,通常鑄鈦用的粘結(jié)劑可分為碳質(zhì)粘結(jié)劑和氧化物粘結(jié)劑。目前國內(nèi)外鑄鈦生產(chǎn)中使用的碳質(zhì)粘結(jié)劑主要是合成樹脂和合脂,此外還有糊精、淀粉、瀝青和膠體石墨等。氧化物粘結(jié)劑主要有二醋酸鋯、硝酸鋯、碳酸鋯銨、硅溶膠等,其中二醋酸鋯是鈦合金精鑄型殼工藝中重要的金屬有機(jī)化合物粘結(jié)劑,廣泛應(yīng)用于面層涂料工藝。不論是難熔金屬面層工藝,還是惰性氧化物面層工藝,都可以用它作主要粘結(jié)劑。二醋酸鋯價格比較昂貴,因此價格低廉的硅溶膠通過技術(shù)改進(jìn)后也被應(yīng)用于實際生產(chǎn)。從實際制得的鑄件質(zhì)量來看,國內(nèi)北京航空材料研究所研制的Gu-1,Gu-3型粘結(jié)劑,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的LJ-8型粘結(jié)劑均可制備出表面質(zhì)量良好的薄壁鈦合金鑄件。目前所用的大多數(shù)粘結(jié)劑還不能完全適合鈦合金鑄造,它們的焙燒產(chǎn)物大多與耐火材料的成分相同,與鈦的反應(yīng)依然存在。粘結(jié)劑的研制始終滯后于耐火材料的研制,因此,同開發(fā)新型耐火材料一樣,粘結(jié)劑也需進(jìn)一步的開發(fā)。3.2.2納米陶瓷材料是鈦合金型殼的表面改性材料最熔融的TiAl幾乎可以與所有的耐火材料反應(yīng),在鑄件表面形成污染層,惡化鑄件的內(nèi)在和外觀質(zhì)量,影響鑄件尺寸精度,嚴(yán)重時甚至造成鑄件的報廢,因此,面層材料的選擇非常關(guān)鍵。鋼、鐵、有色金屬鑄造常用的面層耐火材料都不適用于TiAl基金屬間化合物的鑄造。由于TiAl基金屬間化合物的異常活性,型殼面層耐火材料除了滿足一般要求外,還要滿足以下幾個特殊要求:①高化學(xué)惰性,與熔融TiAl基金屬間化合物合金接觸不發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng);②對水分、氣體吸附能力小,澆注時釋放氣體量小;③導(dǎo)熱性能低,減小激冷所引起的鑄件缺陷。目前所使用的面層耐火材料主要包括碳質(zhì)耐火材料、難熔金屬及其化合物材料、氧化物陶瓷材料。碳質(zhì)型殼收縮率高、表面質(zhì)量差,難熔金屬及其化合物型殼成本昂貴,這些都限制了它們在工業(yè)中的應(yīng)用。氧化物材料是TiAl基金屬間化合物熔模鑄造型殼材料的發(fā)展方向。目前,國際上主要使用惰性氧化物作為型殼面層材料,包括ZrO2,Y2O3和CaO,根據(jù)熱力學(xué)分析,ThO2是最穩(wěn)定的耐火氧化物,但由于其具有放射性,已基本不用。電熔氧化鋯是TiAl基金屬間化合物熔模鑄造型殼的重要面層材料,它是由化學(xué)提純的無定形ZrO2,經(jīng)電熔爐熔融冷凝而成的結(jié)晶ZrO2。未經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2不能用作造型材料,因為在高溫環(huán)境中ZrO2會發(fā)生同素異形體轉(zhuǎn)變,使型殼發(fā)生開裂。為了獲得穩(wěn)定的ZrO2,通常加入4%~8%的CaO,MgO或Y2O3,使ZrO2在1700℃~2400℃煅燒后,生成具有立方晶格的連續(xù)固溶體。劉愛輝等研究了ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)陶瓷型殼與Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的高溫界面反應(yīng)。研究表明,高溫下,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金熔體會在緊密結(jié)合區(qū)域與氧化物陶瓷型殼發(fā)生一定程度的界面反應(yīng),在型殼表面形成厚度約為25μm的由Y0.15Zr0.85O1.93等復(fù)合氧化物組成的界面反應(yīng)層。無定形的Y2O3比表面積大,具有很大活性,加上Y2O3本身呈較強(qiáng)的堿性,會使配置涂料發(fā)生困難,必須經(jīng)過高溫穩(wěn)定化處理后才能用作鈦合金造型材料。Y2O3陶瓷型殼具有熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高等優(yōu)點,成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。目前,Y2O3陶瓷型殼工藝已經(jīng)比較成熟,Y2O3型殼已經(jīng)成為生產(chǎn)航空用鑄造鈦合金零件的主要鑄型,可澆注優(yōu)質(zhì)的鈦合金鑄件。Richerson研究了以Y2O3為主,混以少量稀有重金屬氧化物制成的陶瓷坩鍋和鑄型。這種方法比較成功,但是存在著工藝反復(fù)、成分復(fù)雜、高費用的缺點。CaO作為一種低成本的面層耐火材料,已經(jīng)成為當(dāng)今TiAl基金屬間化合物熔模鑄造型殼的主要研究方向,得到越來越多的關(guān)注。目前,對CaO陶瓷型殼的研究正在進(jìn)行中,LaSalle介紹了采用碳酸鈣預(yù)制涂料漿制備CaO面層涂料。Lasalle已使用這種型殼澆注出渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子。