叶喜葱， 苏彦庆， 郭景杰， 张丽红

(1.三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌443002;2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001;3.三峡大学医学院，湖北宜昌443002)

近几十年来，TiAl基合金作为下一代新型轻质高温结构材料引起了国内外学者的广泛关注［1～5］，并在航空航天领域得到大量应用。据NASA估计，到2020年航空发动机材料总量的20%～25%将是TiAl基合金。TiAl基合金突出优点是:具有相对低的密度，比目前使用的耐高温材料—高温镍基合金密度小50%以上;具有较高的比强度和比弹性模量，在高温时仍能保持足够高的强度和刚度;具有良好的抗蠕变及抗氧化能力。

但室温塑性差、加工成形能力不足制约了TiAl基合金在各个领域的应用，因此，TiAl基合金的制备加工技术成为航空航天发展的核心问题［6］。迄今为止，已有多种成型方法应用到TiAl基合金件成形工艺中，如:粉末冶金［7］，定向凝固［8］，铸锭冶金［9］，离心铸造［10］，熔模铸造［11］，反重力低压铸造［12］等。由于金属间化合物在室温下几乎没有延性，难以加工成型，因此研究者将研究重点集中在TiAl基合金铸造近净成型技术上，以降低零件的成本。由于TiAl基合金熔体本身黏度大、流动性差、且在高温条件下容易和其他物质发生化学反应，导致TiAl基合金熔体的铸造性能较差。为了获得质量良好的构件，尤其对于复杂薄壁构件，在上述铸造成型过程中，合金液要具有较高的过热度，且铸型预热温度也要求很高。如K.Liu［13］在研究TiAl基排气阀离心铸造中提出，合金液的过热度越高，则充填率越好，当合金的过热度达到180℃，铸件充型良好。德国学者A.Choudhury和M.Blum研究发现［14］，铸型加热到1000℃才可以避免铸件中缩孔缺陷的产生。另外，铸造TiAl基合金件的粗大柱状晶和片层团组织特征导致其室温塑性差和性能各向异性，这对TiAl基合金的性能极为不利，必须采取一定的措施细化组织。

本工作针对TiAl基合金薄壁件铸造成型困难，提出真空吸铸技术，并利用金属型吸铸技术获得了TiAl基合金薄板，研究合金元素对铸态组织的影响。

1 实验过程及基本原理

研究用TiAl基合金的名义化学成分Ti-47Al-X (at%)，熔配合金所用的原材料为零级海绵钛、纯度为99.99%的铝条、纯度为99.9%的钨粉以及纯度为99.99%的硅。采用非自耗电弧炉进行熔炼，熔化前熔化室抽真空至10-3Pa，反充高纯氩气。每次熔化时间约为200s，合金采用真空非自耗电弧炉熔炼，为了减少合金锭的成分偏析，熔炼一次就进行翻转，翻转三次。

金属型真空吸铸成型原理如图1所示，熔炼室内充满氩气作为保护性气体，并达到一定压力(P2)。合金锭在氩气保护的非自耗电弧炉中熔炼三次，以保证合金锭成分均匀。浇注时吸铸室为高真空状态(P1)，当合金液达到一定的过热度时进行浇注(只需要几十度的过热度即可)，合金液在熔炼室和吸铸室的压力差(P2-P1)和自身重力下充型，充型动力大，可以浇注复杂薄壁TiAl基合金件。当合金液充入到铸型中时，由于金属型的强制冷却作用，可以获得组织细小的TiAl基合金件。

图1 真空吸铸原理Fig.1 Schematics of suction casting

2 实验及结果分析

图2为薄板铸件，其中薄板的厚度2mm、长60mm、宽20mm，铸型由45#钢加工而成。图3为利用金属型真空吸铸获得的Ti-47Al合金薄板铸件组织的金相图，从图中可以看出，由于金属型的强制冷却作用，TiAl基合金薄板件铸态组织细小，平均晶粒尺寸在60μm左右。

图4为XRD分析图，从图中可以看出，TiAl基合金薄板件的组织由γ-TiAl和α2-Ti3Al两相组成的，其各自的体积分数约为86%和14%，γ-TiAl相的体积分数较平衡状态下得到的γ-TiAl多，分析其原因主要是在金属型真空吸铸过程中，凝固过程是非平衡的。

图4 Ti-47Al合金薄板铸件组织的XRD结果Fig.4 The XRD result of Ti-47Al alloy thin sheet casting

合金元素会对组织产生很大影响，图5为添加不同W元素的Ti-47Al合金的扫描电镜照片，从图中可以看出，组织均为等轴晶，添加W元素的晶粒尺寸在50μm左右，与Ti-47Al合金显微组织相比(图3)明显细化，可见W元素对晶粒细化的效果比较明显，其中最为明显的是改善了该合金的树枝晶的大小，随着W含量的增加，单位体积内树枝晶的数目增加，一次、二次枝晶臂都明显被细化。另外，随着W含量的增加，等轴晶粒尺寸细化明显，但是W元素的添加会造成晶界W元素的偏析［15］。

一般来说，B2相在粗大层片组织的交界处形成，从Ti-Al二元相图可以看出，在(β+α)两相区，平衡分配系数k0=Cα/Cβ＞1(Cα和Cβ分别为α和β中Al的浓度)。从β到α的转变过程中，α中Al的含量随转变过程的进行逐渐减少，Ti的含量逐渐增加。剩余的β中Ti和其他合金元素更加富集，β相变得更加稳定，最终保留下来，不同取向的α晶粒在此汇合，所以β相在α晶粒(大的层片组织)的边界处存在［16］。如果B2相多，则α晶粒更容易受到B2相的阻碍而停止长大，W元素的偏聚能够稳定B2相，所以随着W元素的添加，B2相的含量增加，晶粒变细［16］。图6为金属型吸铸的Ti-47Al-2W铸件组织TEM图，对该组织的衍射斑点标定可知，铸件组织中存在大块的B2相，大块B2相的存在，细化了TiAl合金件的铸态组织。

Si在TiAl基合金中的固溶度是有限的，添加Si有利于TiAl基合金中Ti5Si3相形成而提高合金的抗氧化性能和抗蠕变性能。Ti5Si3相的熔点很高，为2130℃。其密度为4.32g/cm3，从Ti-Si系二元相图也可以看出Ti5Si3相从室温到高温一直很稳定，没有相变发生［17］，再加上其良好的高温强度、抗蠕变能力和较好的抗氧化能力，使其成为一种优异的强化相。图7、图8为Ti-47Al-2W-0.5Si薄板件样品XRD分析和背散射图。从图7中可以看出，由于Si元素的添加，Ti-47Al-2W铸件组织中因出现了Ti5Si3相而得到进一步细化(图8)，晶粒尺寸在40μm左右。对Ti-47Al-2W-0.5Si合金进一步观察发现，Ti5Si3相形状不规则，主要分布在晶界处(图9)，Ti5Si3相质点会阻碍TiAl基合金凝固过程中组织长大，有利于细化TiAl基合金。

4 结论

(1)由于金属型的强制冷却作用，Ti-47Al合金薄板的铸态组织细小，平均晶粒尺寸在60μm左右。

(2)随着W的加入，晶粒尺寸减小，单位体积内树枝晶的数目增加，一次、二次枝晶臂都明显被细化。

(3)由于Si元素的添加，Ti-47Al-2W铸件组织得到进一步细化。生成的Ti5Si3相形状不规则，主要分布在晶界处，其熔点高，阻碍TiAl基合金凝固过程中晶粒的长大，有利于细化TiAl基合金组织。

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