电磁场下TiAl合金与ZrO2（CaO稳定）铸型界面反应研究
目 录
1 引言 1
1.1 本课题研究的目的和意义 1
1.2 钛的概述 1
1.3 电磁场下TiAl合金与ZrO2（CaO稳定)铸型界面反应研究 5
2 试验部分 7
2.1试验材料及设备 7
2.2 试验方法 9
3 实验数据与分析 10
3.1重力场下铸型界面反应规律 10
3.2 电磁场下铸型界面反应规律 11
3.3 重力场与电磁场下铸型界面反应生成物对比 13
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
1.1 本课题研究的目的和意义
如今钛是世界上的一种新型的金属，备受国内外研究者的关注。它具有密度小，比热小，容易加热同时也容易冷却的优点。以钛为基础而来的越来越多的合金逐渐的展示在我们的面前，这些钛合金以其优良的性能深受大家的喜爱，同时钛合金也有一些不足之处。当今时代需要我们去深入的对其进行研究。
在钛合金精密铸造过程中，液态金属与氧化物陶瓷铸型间发生的界面化学反应，严重的劣化了铸件的表面质量和力学性能，使成品率大为降低。本课题通过充分反应法，研究电磁场下TiAl合金熔体与ZrO2（CaO稳定）陶瓷耐火材料界面反应后金属一侧的界面组织形貌，并结合热力学的基本理论，对界面反应规律进行热力学分析，以期为抑制界面化学反应提供理论依据。
为了寻找好的抑制界面反应的方法，本次课题做了电磁场下TiAl合金与ZrO2（CaO稳定）铸型界面反应，然后与重力场下的试验进行对比，研究分析在电磁场下是否可以抑制界面反应。
1.2 钛的概述
1.2.1 钛合金的基本性质
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
在地壳中，钛的储存量很高，仅次于铁、铝、镁。它从二十世纪中叶就开始得到大力发展，到如今在国民经济中已被称为第三大金属。
钛的序数为22，由22个质子和20～32个中子组成了它的原子核。钛的核外电子结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6，其中4s电子和3d电子的电离势较小，而且都在50eV以下，但是3p电子的电离势在100eV以上，所以钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高化学价通常是正四价。
钛是一种化学活性很强的金属，在其铸造过程中极易与氧化物陶瓷铸型间发生界面化学反应，生成一层难以祛除的污染层，影响到成品的表面粗糙度和力学性能。
钛合金是以钛为基体加入其他合金元素后所组成的合金，虽然钛的强度很低，但是融入其他金属元素合成合金以后，合金的强度会大大的增加。表1-1列出了纯钛和钛合金的力学性能。
钛合金的强度高，比重小，因此钛合金的比强度高。表1-2列出了钛合金与常用合金的比强度，从表格中可以明显看出，在这些合金中，钛合金的比强度是最大的。
表1-1纯钛及钛合金的力学性能[1-2]
材料 热处理 抗拉强度 σb/MPa 屈服强度 σ0.2/MPa 延伸率 σ/%
纯钛 退火 274~417 ＞167 ＞27
Ti-6Al-4V 退火 980 921 14
Ti-6Al-4V 时效 1166 1098 10
表1-2 常用合金的比强度[3-4]
合金 镁合金 铝合金 高强钢 钛合金 30钢
比强度/105N/m2 16 21 23 29 14.1~15.4
钛原子外层4s和3d电子的电离势很小，特别容易失去。因此钛元素非常活泼并且易与氧发生反应生成TiO2，微米级钛粉在室温下就容易吸氧而发生自燃。但是，钛表面所产生的纳米的氧化膜非常完整致密，并且具有遭局部破坏后瞬间自我修复的能力，且在绝大多数环境中是比较稳定的，因此钛及其合金的抗腐蚀能力非常出众[5]。
钛在氧化性或中性的介质中耐腐蚀的能力很强，因为钛氧化膜具有吸氧“自愈”的特点，即便遭到局部破坏，仍有吸氧“自愈”的特点。钛对酸也有很好的耐腐蚀性，在常温下的硫酸、盐酸、磷酸中显现了它的性质，钛在海水中几乎不被腐蚀。除了甲酸和草酸以外，钛合金在低浓度的有机酸中有很好的耐腐蚀性，比如SO2，H2S等。
钛还有其他的优点，比如合金度高、低温性能好、无磁性、形状记忆性、吸氢特性、超导特性、阻尼特性等。
1.2.2 钛合金的应用
从工业化开始，钛在工业和国民经济中起到了越来越重要的作用，特别在高新领域得到了广泛的应用，接下来就用几个实例来说明钛在生产生活中的广泛应用。
（1）航空用钛
因为钛具有高的强度，比强度和好的耐腐蚀的性能，所以钛合金在航空领域有着非常广泛的应用。并且就目前航空器材来看，越是先进的航空器材钛的用量也就越大。
钛可以用于叶轮、起落架、机身、机翼、发动机等等的地方，在航空器材上钛合金占的比重非常大，SR-71侦察机的机身几乎全由钛合金组成。这些数字最好地诠释了“太空金属”的含义。
（2）潜艇用钛
在潜艇 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
中选择钛合金，是因为看上了钛合金的，高强度和在酸中具有很好的耐腐蚀性能，钛合金可用于制作潜艇的外壳和内部管道回路系统。钛在潜艇中的使用，是潜艇的使用寿命大大提高，下潜深度大大增加，提高了潜艇的航速，降低了潜艇航行时的噪音。正是由于这些优越性，有的国家生产的潜艇甚至使用了全钛[6]。
（3）战车用钛
钛应用于战车中，可使战车的移动速度大大增加，强度大大提高，这是其他的合金元素无法比拟的优越性[7]。
（4）医学用钛
钛的出色性能不仅在机械的加工方面有着很大的应用前景，在生物制造方面的应用价值也不可估量。随着医疗技术的提高，在人的体内植入金属已经变成一种十分常见的外科手术，正是因为钛金属与其他金属相比与人体组织排异反应弱，目前在广泛于人工骨骼、人工关节、人造心脏、人造牙等人体植入物方面得到广泛的应用。之外，钛在制药机械、医疗器械方面的应用也得到进一步的发展，现在医疗方面的蓬勃发展，已经预示着钛在医疗方面的广阔前景，钛的重要作用越发的明显[8]。
（5）汽车用钛
钛不仅仅用在那些航空军事领域，在我们的生活中的应用也是比比皆是，而汽车用钛就是其中最具代表性的。20世纪50年代钛进入了汽车领域，由于钛合金的合金强度高，密度小，抗腐蚀性能强，在汽车领域钛合金越来越受到人们的青睐，并且钛合金的使用也降低了汽车的成本，是汽车的使用越来越走向大众，表1-3列出了适用于降低汽车成本的钛合金[9]。
表1-3 适用于汽车的低成本钛合金品种
序号 名义成分
1 Ti-6Al-1.7Fe-0.18O-0.1Si
2 Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si
3 Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al
4 Ti-3Al-2V
5 Ti-6Al-2Fe-0.1-Si
6 Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe
7 Ti-4.5Fe-7Mo-1.5Al-1.5V
1 引言 1
1.1 本课题研究的目的和意义 1
1.2 钛的概述 1
1.3 电磁场下TiAl合金与ZrO2（CaO稳定)铸型界面反应研究 5
2 试验部分 7
2.1试验材料及设备 7
2.2 试验方法 9
3 实验数据与分析 10
3.1重力场下铸型界面反应规律 10
3.2 电磁场下铸型界面反应规律 11
3.3 重力场与电磁场下铸型界面反应生成物对比 13
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
1.1 本课题研究的目的和意义
如今钛是世界上的一种新型的金属，备受国内外研究者的关注。它具有密度小，比热小，容易加热同时也容易冷却的优点。以钛为基础而来的越来越多的合金逐渐的展示在我们的面前，这些钛合金以其优良的性能深受大家的喜爱，同时钛合金也有一些不足之处。当今时代需要我们去深入的对其进行研究。
在钛合金精密铸造过程中，液态金属与氧化物陶瓷铸型间发生的界面化学反应，严重的劣化了铸件的表面质量和力学性能，使成品率大为降低。本课题通过充分反应法，研究电磁场下TiAl合金熔体与ZrO2（CaO稳定）陶瓷耐火材料界面反应后金属一侧的界面组织形貌，并结合热力学的基本理论，对界面反应规律进行热力学分析，以期为抑制界面化学反应提供理论依据。
为了寻找好的抑制界面反应的方法，本次课题做了电磁场下TiAl合金与ZrO2（CaO稳定）铸型界面反应，然后与重力场下的试验进行对比，研究分析在电磁场下是否可以抑制界面反应。
1.2 钛的概述
1.2.1 钛合金的基本性质
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
在地壳中，钛的储存量很高，仅次于铁、铝、镁。它从二十世纪中叶就开始得到大力发展，到如今在国民经济中已被称为第三大金属。
钛的序数为22，由22个质子和20～32个中子组成了它的原子核。钛的核外电子结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6，其中4s电子和3d电子的电离势较小，而且都在50eV以下，但是3p电子的电离势在100eV以上，所以钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高化学价通常是正四价。
钛是一种化学活性很强的金属，在其铸造过程中极易与氧化物陶瓷铸型间发生界面化学反应，生成一层难以祛除的污染层，影响到成品的表面粗糙度和力学性能。
钛合金是以钛为基体加入其他合金元素后所组成的合金，虽然钛的强度很低，但是融入其他金属元素合成合金以后，合金的强度会大大的增加。表1-1列出了纯钛和钛合金的力学性能。
钛合金的强度高，比重小，因此钛合金的比强度高。表1-2列出了钛合金与常用合金的比强度，从表格中可以明显看出，在这些合金中，钛合金的比强度是最大的。
表1-1纯钛及钛合金的力学性能[1-2]
材料 热处理 抗拉强度 σb/MPa 屈服强度 σ0.2/MPa 延伸率 σ/%
纯钛 退火 274~417 ＞167 ＞27
Ti-6Al-4V 退火 980 921 14
Ti-6Al-4V 时效 1166 1098 10
表1-2 常用合金的比强度[3-4]
合金 镁合金 铝合金 高强钢 钛合金 30钢
比强度/105N/m2 16 21 23 29 14.1~15.4
钛原子外层4s和3d电子的电离势很小，特别容易失去。因此钛元素非常活泼并且易与氧发生反应生成TiO2，微米级钛粉在室温下就容易吸氧而发生自燃。但是，钛表面所产生的纳米的氧化膜非常完整致密，并且具有遭局部破坏后瞬间自我修复的能力，且在绝大多数环境中是比较稳定的，因此钛及其合金的抗腐蚀能力非常出众[5]。
钛在氧化性或中性的介质中耐腐蚀的能力很强，因为钛氧化膜具有吸氧“自愈”的特点，即便遭到局部破坏，仍有吸氧“自愈”的特点。钛对酸也有很好的耐腐蚀性，在常温下的硫酸、盐酸、磷酸中显现了它的性质，钛在海水中几乎不被腐蚀。除了甲酸和草酸以外，钛合金在低浓度的有机酸中有很好的耐腐蚀性，比如SO2，H2S等。
钛还有其他的优点，比如合金度高、低温性能好、无磁性、形状记忆性、吸氢特性、超导特性、阻尼特性等。
1.2.2 钛合金的应用
从工业化开始，钛在工业和国民经济中起到了越来越重要的作用，特别在高新领域得到了广泛的应用，接下来就用几个实例来说明钛在生产生活中的广泛应用。
（1）航空用钛
因为钛具有高的强度，比强度和好的耐腐蚀的性能，所以钛合金在航空领域有着非常广泛的应用。并且就目前航空器材来看，越是先进的航空器材钛的用量也就越大。
钛可以用于叶轮、起落架、机身、机翼、发动机等等的地方，在航空器材上钛合金占的比重非常大，SR-71侦察机的机身几乎全由钛合金组成。这些数字最好地诠释了“太空金属”的含义。
（2）潜艇用钛
在潜艇 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
中选择钛合金，是因为看上了钛合金的，高强度和在酸中具有很好的耐腐蚀性能，钛合金可用于制作潜艇的外壳和内部管道回路系统。钛在潜艇中的使用，是潜艇的使用寿命大大提高，下潜深度大大增加，提高了潜艇的航速，降低了潜艇航行时的噪音。正是由于这些优越性，有的国家生产的潜艇甚至使用了全钛[6]。
（3）战车用钛
钛应用于战车中，可使战车的移动速度大大增加，强度大大提高，这是其他的合金元素无法比拟的优越性[7]。
（4）医学用钛
钛的出色性能不仅在机械的加工方面有着很大的应用前景，在生物制造方面的应用价值也不可估量。随着医疗技术的提高，在人的体内植入金属已经变成一种十分常见的外科手术，正是因为钛金属与其他金属相比与人体组织排异反应弱，目前在广泛于人工骨骼、人工关节、人造心脏、人造牙等人体植入物方面得到广泛的应用。之外，钛在制药机械、医疗器械方面的应用也得到进一步的发展，现在医疗方面的蓬勃发展，已经预示着钛在医疗方面的广阔前景，钛的重要作用越发的明显[8]。
（5）汽车用钛
钛不仅仅用在那些航空军事领域，在我们的生活中的应用也是比比皆是，而汽车用钛就是其中最具代表性的。20世纪50年代钛进入了汽车领域，由于钛合金的合金强度高，密度小，抗腐蚀性能强，在汽车领域钛合金越来越受到人们的青睐，并且钛合金的使用也降低了汽车的成本，是汽车的使用越来越走向大众，表1-3列出了适用于降低汽车成本的钛合金[9]。
表1-3 适用于汽车的低成本钛合金品种
序号 名义成分
1 Ti-6Al-1.7Fe-0.18O-0.1Si
2 Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si
3 Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al
4 Ti-3Al-2V
5 Ti-6Al-2Fe-0.1-Si
6 Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe
7 Ti-4.5Fe-7Mo-1.5Al-1.5V
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