钛合金熔体与陶瓷铸型界面反应规律及微观机理研究

【摘要】： 钛合金熔模精密铸造成形过程中,合金熔体与陶瓷铸型材料间的界面反应是影响铸件质量和力学性能的重要因素。而钛合金熔体与铸型间的润湿性,直接影响到合金熔体与铸型间界面反应的强弱,进而影响铸件表面质量的优劣。本文将界面反应与界面润湿性有机结合,并进行一体化研究,提出了“物理润湿,化学润湿和化学反应”新型“三阶段”反应模型,并籍此深入研究了钛合金熔体与铸型材料间的界面反应规律和微观机理。 克服现有润湿角测量装置的弊端,本文提出了能够准确测量高活性合金/陶瓷间润湿角的感应熔化落滴法,并研发了相应的动态测量装置。利用该装置系统研究了重力场和电磁场下,纯Ti、Ti6Al4V合金和TiAl合金熔体与ZrO_2(Y_2O_3稳定)、ZrO_2(CaO稳定)和MgO三种陶瓷铸型材料之间的润湿规律与微观机理。结果表明,电磁场下,钛合金熔体与氧化物陶瓷间的整个润湿过程历经三个阶段:初期的润湿角较大且减幅较小的非反应性润湿阶段、中期的润湿角减幅较大的反应性润湿阶段,以及后期的润湿角较小且基本不变的平衡阶段,且陶瓷的化学稳定性越高,非反应性润湿阶段持续的时间越长;与重力场下纯Ti、Ti6Al4V和TiAl合金熔体在三种陶瓷基体上的润湿角相比,电磁场显著地降低了合金熔体/陶瓷体系的润湿角;并依据热力学基本理论,结合反应性润湿体系的润湿角公式,推导了电磁场下液态金属/陶瓷体系的最小接触角公式。 开展了重力场和电磁场下,钛合金熔体/陶瓷铸型体系的界面反应规律研究,通过对界面处金属一侧界面反应后的显微组织观察发现,Y_2O_3、ZrO_2(Y_2O_3稳定)、ZrO_2(CaO稳定)与钛合金熔体的反应较轻,其中Y_2O_3与合金熔体的界面反应最弱;在重力场和电磁场下,金属与铸型之间的界面反应,都是在个别区域优先形核,而非齐头并进各处一起形核,随着界面反应进程的推进,形核地点越来越多,各形核点不断长大,最后形核点长大相遇形成最终的显微组织;但电磁场下的界面反应产物形貌与重力场下相差很大,而且和重力场相比,电磁场下的界面反应进程更快,反应程度也更为剧烈。 依据热量和质量守恒定律,综合考虑钛合金熔体/陶瓷铸型界面反应过程中,化学反应、电磁场、温度场和浓度场之间的相互影响,建立了重力场和电磁场下钛合金熔体/陶瓷铸型界面反应数学模型,并籍此对浇注温度、铸型预热温度、接触时间以及合金元素对钛铸件中氧浓度和反应层厚度的动力学影响规律进行了数值模拟。结果表明,随着铸型预热温度、浇注温度和接触时间的增加,铸件反应层厚度增大,铝含量的增加能减弱钛合金熔体与陶瓷铸型的界面反应;与重力场下比较,电磁场下的界面反应更剧烈,钛铸件表面的反应层厚度较重力场下更大;并进行了重力场和电磁场下,Ti/ZrO_2反应层厚度的试验验证,结果表明,模拟结果与实测结果吻合较好。