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具有良好应用背景的轻质、高屈强比铸造TiAl基合金,国内外普遍采用真空自耗熔炼(Vacuum Arc Melting)或等离子熔炼(Plasma Melting)制备合金,再经感应凝壳重熔(Induction Skull Remlting)浇注铸件。该技术的优点是熔炼合金的氧含量低,但工艺复杂、成本高。针对上述缺点,中国科学院金属所采用热力学稳定的CaO坩埚,一次真空感应冶炼(Vacuum Induction Melting)并直接离心铸造出长/径比大、难成型的Ti-Al-Nb-B合金汽车排气阀。该熔铸技术工艺简单,成本低,但因液态TiAl基合金强化学活性,熔炼的合金存在较高的增氧,降低排气阀塑性。实践证明,熔体电磁搅拌强度、过热度、过热时间均会严重影响强活性TiAl基合金熔炼过程的增氧速率。因此,优化熔炼参数,降低合金熔炼过程增氧,成为真空感应冶炼该类强活性合金急需解决的难题。
本论文采用计算机模拟与熔炼实验相结合的方法,集中研究CaO坩埚真空感应熔炼TiAl基合金的增氧机理,系统分析熔炼频率、功率两个可控熔炼参数对不同重量熔融TiAl基合金液悬浮驼峰、流场及升温速率的影响。
添加硼元素是一种公认的细化铸态TiAl基合金组织的方法,至今相关细化机制仍没有得到充分解释。本论文从B影响TiAl基合金凝固组织和固态相变两方面阐明了其细化晶粒机制。
得到结论如下:
1.合金液悬浮驼峰对熔炼频率的变化不敏感,但随着熔炼功率的增加而急剧增加,驼峰高度h和熔炼功率P满足四次多项式关系；
2.熔体中流速最大的区域处于近坩埚底的漩涡内,模拟结果证实,熔体平均流速V(m/s)和熔炼功率P(KW)满足如下关系:
V=0.00836-5.143×10-6 P+6.892×10-7 P2
由此表明:功率从100KW降低到60KW,流速将从0.147m/s降低到0.105m/s。然而熔炼频率f(Hz)对熔体平均流速V影响不明显,其相互关系为:
V=0.8104-5.35×10-5f+1.534×10-8 f2-1.423×10-12 f3
表明当熔炼频率由2500Hz升高到4500Hz,流速仅降低了0.003m/s；
3.伴随熔炼功率降低、频率升高,合金液升温到相同过热所需时间增加,如功率从100KW降低到60KW,合金液从1600℃升温到1660℃所需时间由14秒增加到25秒,熔炼频率由2400Hz升高到3250Hz,所需时间从19秒增加到21秒。熔炼功率和频率通过影响驼峰高度(合金液与坩埚接触面积)、合金液流速(合金液对坩埚壁冲刷,反应边界层厚度)和升温速度(合金液与坩埚接触时间)综合控制熔炼合金的增氧。实验结果表明,CaO坩埚真空感应熔炼TiAl基合金的最佳工艺参数为功率60KW、频率2800Hz,合金氧含量仅为868ppm。
4.发现硼化物优先β相从液相中析出,当β相开始析出时,优先出现的硼化物被排挤到β枝晶间。但不同B含量合金凝固组织中β相大小没有明显差异,即B不能细化初生β相。但合金中添加B改变了β→α固态相变中α相形态和大小,随含量的增加,α相由大板条状向等轴状转变,当B含量达到0.3 at.％,α相显著细化。可见,B细化铸态α2+γ组织的机制来源于β→α固态相变。