小型薄壁钛基合金构件原位熔化-底漏式吸铸成形新方法

钛基合金在汽车、医疗、体育、化工、航空航天飞行器等领域具有广泛的应用。铸造成形是制备钛基合金构件的重要方法。目前厚大断面钛基合金铸件可以采用重力铸造方法成形，中型薄壁件采用离心铸造方法成形，而小型薄壁件虽然也可以通过离心精密铸造方法成形，但材料利用率非常低，生产周期长。本项目突破钛基合金传统铸造方法，提出了原位熔化-底漏式吸铸成形新方法。其基本原理是将合金在氩气保护下的水冷铜坩埚中用电弧熔炼，合金熔体在熔炼室与吸铸室气体压差和自身重力共同驱动下充填到铸型中。其优点(1)金属液流前端处于真空环境中，克服了充型过程中气体背压对充型产生的阻力；(2)将气体压力场叠加于重力场，可以大幅度提高钛合金的充型能力；(3)在充型能力有保证的前提下，采用较大激冷能力的铸型，可以减小铸型对铸件的污染。本项目将研究合金熔体过热度、气体压力差、吸口直径及铸型条件等对钛基合金充型规律的影响。

本项目针对小型薄壁钛基合金铸造成形，发明了原位熔化-底漏式吸铸新方法，钛基合金原料在水冷铜坩埚中用非自耗电弧加热熔化，熔融的钛基合金在气体压力差及重力的共同作用下通过坩埚底部的吸口充填铸型，得到铸件。研究发现，只有重力作用时，合金熔体不能充填铸型，在吸口中就已凝固。而有气体压差辅助充型时，充型长度达到50mm以上。证明该方法确实可以大幅度提高充型动力。由于充型动力的提高，可以适当降低合金熔体温度以减轻合金熔体与铸型的反应。研究了金属型和熔模型壳与铸件的界面反应，结果表明在底漏式真空吸铸工艺中，以刚玉作为面层耐火材料是可行的。.本项目实施过程中，研究了非自耗电弧加热熔化过程熔体温度控制问题、熔体原位启动充型问题、熔体在特定型腔内充型问题、界面反应问题等，完成了预定的任务，实现了预期目标。同时开展了钛基合金熔炼过程熔体质量的控制技术与理论研究。.建立了非自耗电弧炉熔炼钛基合金工艺参数与熔体温度的关系。研究结果表明，熔体内存在一定的温度梯度，靠近坩埚的部分温度较低，而熔体上部温度较高。该研究工作表明在炉料底部存在未融化的凝壳，也就是说，如果在坩埚底部有一个底漏式浇口，如果该浇口材料为铜的，炉料在浇口处保持固态，不具有流动性，是不能实现浇注的。在吸口材料选择时需考虑这一问题。.研究了薄板、叶片、叶轮、连杆等四种典型结构零件的吸铸成形工艺，这四种结构件的共同特点是壁厚较薄（1-2mm）。薄板、叶片的型腔充填为单向的（与重力方向相同），而叶轮的型腔存在向上充填，连杆型腔存在分股充填，充型复杂性依次增加。研究了吸口直径、浇注速度、铸型换热系数、铸型温度、浇注温度等对薄壁型腔的充填率的影响。其中吸口直径、浇铸速度、浇注温度的影响突出，而且三者耦合控制着充型启动过程。存在充型启动窗口条件，如当TiAl合金浇注温度为1655℃时，充填率反而降低，产生这种现象的主要原因是合金液过热度高，充型启动时间提前，退化为重力充型。研究结果表明，利用该技术可以实现上述结构零件的吸铸成形。.本项目在研究非自耗电极电弧加热熔化钛基合金时，将熔炼室气氛设定为氢氩混合气氛，实现了低能耗熔炼，同时发现TiAl合金在氢氩混合气氛中熔炼后，合金中的氧含量显著地降低。.本项目在钛合金加工领域的主要贡献可总结为：（1）发明了原位熔炼底漏式吸铸成形技术，（2）提出了氢氩混合气氛低能耗熔炼净化钛合金研究方向。