[发明专利]一种Ti或TiAl合金铸件及其凝固组织细化方法

说明书

本发明属于凝固组织调控领域，并具体公开了一种Ti或TiAl合金铸件及其凝固组织细化方法，其包括：将合金原料放入熔炼炉坩埚内，在高纯氩气条件下对合金原料进行熔炼，在熔炼过程中进行持续搅拌，获得成分均一的合金熔体；所述合金为Ti或TiAl合金；将所述合金熔体浇注到水平机械振动的铸型中，保证真空室气密性以及较小振动损耗的条件下，施加振动直到熔体完全凝固，制得合金铸件；水平机械振动的振幅为1～5mm，振动频率为5～50Hz。本发明通过无污染的机械振动技术实现柱状晶‑等轴晶转变和晶粒细化，避免添加其它元素和细化剂，能够显著细化含有高活性金属原材料的Ti合金以及TiAl合金铸态组织。

技术领域

本发明属于凝固组织调控领域，更具体地，涉及一种Ti或TiAl合金铸件及其凝固组织细化方法。

背景技术

近年来，Ti合金具有较好的耐蚀性、较高的比强度和疲劳强度等优异性能。近年来Ti合金技术被广泛应用在航空航天、船舶、石油能源、汽车及医疗设备等工程中。由于Ti合金锻件成本较高，而铸造是一种近净成形的方法，相对于锻造等其它冶金方法，具有很大的成本优势。同时，铸造也是空心复杂精密构件的重要成形手段。采用铸造方法制备的Ti合金适用于制造较大尺寸、形状复杂的薄壁铸件，近二十年精密铸造技术的不断发展，推动了Ti合金铸件的大批量生产，扩大了大型复杂薄壁铸件在航空航天等技术领域的应用。因此，研究Ti合金的铸造凝固行为，有效控制Ti合金凝固过程，获得均匀细小的铸造组织，对于提高铸件产品的综合性能具有重要的现实意义。典型的Ti合金如Ti-6Al-4V(国内牌号为TC4)。

TiAl合金由于金属键和共价键共存，从而兼有金属和陶瓷的性能，如熔点高、密度低、高温强度好、弹性模量高、阻燃能力及抗氧化性好等优点，同样是在航空航天和汽车等领域具有重要应用前景的轻质耐高温结构材料。但是TiAl合金仍存在典型缺点，如室温塑性低和热加工难度大。由于TiAl合金的微观组织对性能有很大的影响，因此组织细化是提高其室温和高温塑性、强度、硬度等力学性能的重要方法之一。铸造TiAl合金通常具有粗大的柱状晶组织，不仅室温塑性较差，而且具有明显的各向异性，由于不能通过变形等其它热加工方法来细化组织，因此晶粒细化相对其它合金来说要困难得多。因而，当前常用合金化的方法来改善铸造TiAl合金的组织。典型的TiAl合金如Ti-48Al-2Cr-2Nb。

Ti元素活性非常高，高温时它们会与空气等接触介质发生强烈的反应。当在650℃以上时，Ti与氧强烈反应，而在700℃以上时，则与氮也发生反应。目前，真空熔炼仍是获得Ti合金铸件的主要熔铸方法。对金属的凝固成形过程进行控制是获得高性能优质铸件的关键，凝固过程直接影响材料的组织特征、成分分布以及力学性能，且材料在凝固过程中形成的冶金缺陷在后续的加工过程中很难消除。此外，航空航天等领域对铸件的纯净度要求较高，在很多情况下不允许添加孕育剂或细化剂来实现凝固过程中的晶粒细化。因此，亟需一种简单有效、纯净无污染的在熔炼过程中细化合金晶粒的方法，以改善合金微观组织，提高铸件综合性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种Ti或TiAl合金铸件及其凝固组织细化方法，其目的在于，解决合金铸件中出现的成分偏析等组织缺陷问题，实现微观组织晶粒细化并产生柱状晶-等轴晶转变。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种Ti或TiAl合金铸件凝固组织细化方法，包括如下步骤：

将合金原料放入熔炼炉坩埚内，在高纯氩气环境下对合金原料进行熔炼，在熔炼过程中进行持续搅拌，获得成分均一的合金熔体；所述合金为Ti合金或TiAl合金；

将所述合金熔体浇注到水平机械振动的铸型中，施加振动直到熔体完全凝固，制得合金铸件；水平机械振动的振幅为1～5mm，振动频率为5～50Hz。

作为进一步优选的，水平机械振动的振幅为1mm，振动频率为30～50Hz。