TiAl合金与Y2O3铸型界面反应研究
TiAl合金与Y2O3铸型界面反应研究
本文研究了TiAl合金与Y2O3陶瓷的润湿过程，测定了润湿角随时间变化的图像；采用充分反应法研究TiAl合金与Y2O3铸型间的界面反应，借助SEM观察界面反应后金属一侧的组织形貌图像；通过DTA分析TiAl合金与Y2O3的反应动力学过程，测定了相关热动力学参数。研究表明：随着接触时间的延长，TiAl合金与Y2O3的润湿角先明显下降，然后趋于稳定，平衡接触角为85°；TiAl合金与Y2O3界面反应后金属一侧组织为块状颗粒，随着反应深入，块状颗粒会逐渐长大至饱和状态，颗粒间会发生融合；DTA研究发现TiAl合金与Y2O3粉末在加热过程中没有明显的放热和吸热反应峰，这说明了Y2O3对于TiAl合金的高温化学稳定性好。
关键词 TiAl合金，Y2O3陶瓷铸型，界面反应，润湿性
1 引言 1
1.1 本课题研究的目的和意义 1
1.2 钛合金精密铸造技术 1
1.3 钛合金与铸型界面反应的理论研究现状 4
1.4 钛合金与铸型界面反应的实验研究现状 6
2 试验设备及方法 7
2.1 试验原料及设备(试剂) 8
2.2 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应润湿角测定 8
2.3 充分反应法测TiAl合金/Y2O3铸型界面反应 9
2.4 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应差热分析 11
3 实验结果与分析 11
3.1 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应润湿角变化规律 11
3.2 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应规律 13
3.3 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应差热分析 15
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19
1 引言
1.1 本课题研究的目的和意义
钛是当今世界一种重要的结构金属，备受国内外研究者的关注。它的密度很小，比热也很小，加热容易，冷却也容易。钛合金是以钛为基体加入其他金属元素后组成的合金，钛合金具有许多优良的性能，同时钛合金也有其不足之处。对钛合金的研究已成为当今时代所需。
在钛合金的精密铸造过程中，由于钛合金熔体具有很高的化学活性，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，它会使铸件表面变得粗糙，脆性增加，严重时会使其发生断裂，大大降低了钛合金铸件的成品率。因此，深入地研究钛铝合金与氧化物陶瓷铸型间的界面化学反应，揭示界面反应的形成机理，对抑制界面间化学反应的发生，提高铸件的成品率以及大力发展钛合金的精密铸造技术具有重要而长选的现实意义和学术价值。
1.2 钛合金精密铸造技术
1.2.1 钛合金的基本性质
在地壳中，钛的储存量很高，只比铁、铝、镁低。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。
钛在元素周期表中处于第一长周期第Ⅳ族，原子序数为22，它属于过渡元素，其原子核是由22个质子和20~32个中子组成的。钛的核外电子结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 ，钛的最高价通常为正四价。钛的熔点为1668℃，比铁的熔点高138℃，是轻金属中的高熔点金属。钛的密度为4.506~4.516 g/cm3 ，约为铁密度的一半左右。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[1]。
钛合金是以钛为基体加入其他合金元素后所组成的合金，因此一些常用钛合金的密度会随着纯钛中加入其他合金元素的变化而变化。一般来说，纯钛的强度是很低的，但当纯钛中掺入其他元素组成钛合金后，就会使钛合金的强度大大提高，甚至达到钢的比强度或者超过钢。表1-1列出了钛合金及一些常用合金的比强度。
表1-1 常用合金的比强度[2]
合金 镁合金 铝合金 高强钢 钛合金 TiAl 30钢
比强度/
×105N/m2 16 21 23 29 26.4 14.1~15.4
除上述性质外，钛合金还有许多其他的特性。比如，钛合金可以在高温或者低温的状态下正常工作而不会遭到破坏，它有着很强的抗腐蚀能力，可以很好地抑制腐蚀性介质的腐蚀，一些特殊的钛合金还具有吸氢、超导、记忆等功能。虽然钛合金具有很多的优良特性，但是它也有其不足之处，主要表现在它用机械加工起来非常困难且需要花费的成本比较高。寻找经济性和实用性并存的钛合金已成为形势所趋。
1.2.2 钛合金的精密铸造技术概况
钛合金机械加工起来非常困难，加工时余量比较大，需要的成本也比较高，大大限制了钛合金的生产和应用。为了改变这种现状，很多国家开始尝试开辟新的道路来扩大钛合金的产量，钛合金的铸造技术便由此发展起来。钛合金的铸造技术是1950年首先在美国开始研究的，而我国的钛合金铸造研究是从二十世纪六十年代中期开始的。经过了将近半个世纪的发展，到如今钛合金的铸造技术水平已得到很大的提高，各种工艺方法已渐渐得到完善。目前采用的钛合金铸造工艺主要有机加工石墨型、石墨捣实型、金属型及熔模铸造。表1-2列出了四种铸造工艺的优缺点比较。
由于钛具有很高的化学活性，铸造过程中极易与氧化物陶瓷材料间发生界面反应，所以对铸造的造型材料存在一定的要求，具体表现在：(1)造型材料必须与钛合金熔体间不发生反应，(2)在高温作用下不被破坏，(3)需要有足够的强度，(4)导热性低，防止铸件激冷产生缺陷等。
目前使用的造型材料部分地满足了上述要求，大体可分为以下四大类：碳质耐火材料、氧化物陶瓷材料、金属材料及其他材料。
1.2.3 钛合金的熔模铸造技术概况
钛合金的熔模铸造技术由二十世纪五十年代开始发展起来。钛合金的铸造工艺和钢的精铸类似。根据熔模铸造时所选择的不同型壳可以把熔模铸造工艺划分为一下几类：石墨熔模铸型、惰性氧化物面层陶瓷铸型和钨面层陶瓷铸型。表1-3列出了他们各自的特点。
表1-2 钛合金精密铸造工艺特点[3]
常用工艺 机加工石墨型 石墨捣实型 金属型 熔模铸造
型材 高纯人造石墨块 高纯人造石墨粉 铸铁或难熔金属 惰性氧化物金属和高纯石墨
优点 成本低，抗变形能力强，成形周期短，导热性好，稳定性高，润湿性好，表面光洁，尺寸精准 透气性好，成本低，化学稳定性高，可以铸造大型的复杂构件 工艺简单，铸件尺寸比较精确，成本低，使用寿命长，成形周期短，冷速快 适应性强，铸件尺寸精确，表面光洁，铸造大型复杂构件，成本低，生产灵活性高
缺点 容易导热 强度低，发气量大，变形严重，表面粗糙度高 冷速快，有熔焊区产生，铸件表面存在脆性层 工艺复杂，成本高
主要缺陷 流痕，冷隔 缩孔，气孔，针孔，缩松 冷隔，流痕，缩孔，缩松，气孔 冷隔，表面污染层，缩孔
表1-3 钛合金熔模铸造工艺特点[4]
种类 石墨熔模铸型 钨面层陶瓷铸型 惰性氧化物面层陶瓷铸型
优点 成本低，工艺简单 表面污染少，收缩小，精度高 精度高，收缩小，表面光洁
缺点 收缩大，表面冷却快，有渗碳层 成本高，工艺复杂，表面冷却快 表面易产生脆性层，存在气孔缺陷
适用范围 中小型铸件 大型的复杂铸件 大型的复杂铸件
1.2.4 钛合金的应用及发展前景
随着钛合金熔模铸造技术的不断发展，原本钛合金产量少的问题已逐步得到解决，钛合金的应用范围正在慢慢扩大，使其在很多领域都得到了很好的应用。
本文研究了TiAl合金与Y2O3陶瓷的润湿过程，测定了润湿角随时间变化的图像；采用充分反应法研究TiAl合金与Y2O3铸型间的界面反应，借助SEM观察界面反应后金属一侧的组织形貌图像；通过DTA分析TiAl合金与Y2O3的反应动力学过程，测定了相关热动力学参数。研究表明：随着接触时间的延长，TiAl合金与Y2O3的润湿角先明显下降，然后趋于稳定，平衡接触角为85°；TiAl合金与Y2O3界面反应后金属一侧组织为块状颗粒，随着反应深入，块状颗粒会逐渐长大至饱和状态，颗粒间会发生融合；DTA研究发现TiAl合金与Y2O3粉末在加热过程中没有明显的放热和吸热反应峰，这说明了Y2O3对于TiAl合金的高温化学稳定性好。
关键词 TiAl合金，Y2O3陶瓷铸型，界面反应，润湿性
1 引言 1
1.1 本课题研究的目的和意义 1
1.2 钛合金精密铸造技术 1
1.3 钛合金与铸型界面反应的理论研究现状 4
1.4 钛合金与铸型界面反应的实验研究现状 6
2 试验设备及方法 7
2.1 试验原料及设备(试剂) 8
2.2 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应润湿角测定 8
2.3 充分反应法测TiAl合金/Y2O3铸型界面反应 9
2.4 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应差热分析 11
3 实验结果与分析 11
3.1 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应润湿角变化规律 11
3.2 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应规律 13
3.3 TiAl合金/Y2O3铸型界面反应差热分析 15
结 论 17
致 谢 18
参考文献 19
1 引言
1.1 本课题研究的目的和意义
钛是当今世界一种重要的结构金属，备受国内外研究者的关注。它的密度很小，比热也很小，加热容易，冷却也容易。钛合金是以钛为基体加入其他金属元素后组成的合金，钛合金具有许多优良的性能，同时钛合金也有其不足之处。对钛合金的研究已成为当今时代所需。
在钛合金的精密铸造过程中，由于钛合金熔体具有很高的化学活性，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，它会使铸件表面变得粗糙，脆性增加，严重时会使其发生断裂，大大降低了钛合金铸件的成品率。因此，深入地研究钛铝合金与氧化物陶瓷铸型间的界面化学反应，揭示界面反应的形成机理，对抑制界面间化学反应的发生，提高铸件的成品率以及大力发展钛合金的精密铸造技术具有重要而长选的现实意义和学术价值。
1.2 钛合金精密铸造技术
1.2.1 钛合金的基本性质
在地壳中，钛的储存量很高，只比铁、铝、镁低。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。
钛在元素周期表中处于第一长周期第Ⅳ族，原子序数为22，它属于过渡元素，其原子核是由22个质子和20~32个中子组成的。钛的核外电子结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 ，钛的最高价通常为正四价。钛的熔点为1668℃，比铁的熔点高138℃，是轻金属中的高熔点金属。钛的密度为4.506~4.516 g/cm3 ，约为铁密度的一半左右。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[1]。
钛合金是以钛为基体加入其他合金元素后所组成的合金，因此一些常用钛合金的密度会随着纯钛中加入其他合金元素的变化而变化。一般来说，纯钛的强度是很低的，但当纯钛中掺入其他元素组成钛合金后，就会使钛合金的强度大大提高，甚至达到钢的比强度或者超过钢。表1-1列出了钛合金及一些常用合金的比强度。
表1-1 常用合金的比强度[2]
合金 镁合金 铝合金 高强钢 钛合金 TiAl 30钢
比强度/
×105N/m2 16 21 23 29 26.4 14.1~15.4
除上述性质外，钛合金还有许多其他的特性。比如，钛合金可以在高温或者低温的状态下正常工作而不会遭到破坏，它有着很强的抗腐蚀能力，可以很好地抑制腐蚀性介质的腐蚀，一些特殊的钛合金还具有吸氢、超导、记忆等功能。虽然钛合金具有很多的优良特性，但是它也有其不足之处，主要表现在它用机械加工起来非常困难且需要花费的成本比较高。寻找经济性和实用性并存的钛合金已成为形势所趋。
1.2.2 钛合金的精密铸造技术概况
钛合金机械加工起来非常困难，加工时余量比较大，需要的成本也比较高，大大限制了钛合金的生产和应用。为了改变这种现状，很多国家开始尝试开辟新的道路来扩大钛合金的产量，钛合金的铸造技术便由此发展起来。钛合金的铸造技术是1950年首先在美国开始研究的，而我国的钛合金铸造研究是从二十世纪六十年代中期开始的。经过了将近半个世纪的发展，到如今钛合金的铸造技术水平已得到很大的提高，各种工艺方法已渐渐得到完善。目前采用的钛合金铸造工艺主要有机加工石墨型、石墨捣实型、金属型及熔模铸造。表1-2列出了四种铸造工艺的优缺点比较。
由于钛具有很高的化学活性，铸造过程中极易与氧化物陶瓷材料间发生界面反应，所以对铸造的造型材料存在一定的要求，具体表现在：(1)造型材料必须与钛合金熔体间不发生反应，(2)在高温作用下不被破坏，(3)需要有足够的强度，(4)导热性低，防止铸件激冷产生缺陷等。
目前使用的造型材料部分地满足了上述要求，大体可分为以下四大类：碳质耐火材料、氧化物陶瓷材料、金属材料及其他材料。
1.2.3 钛合金的熔模铸造技术概况
钛合金的熔模铸造技术由二十世纪五十年代开始发展起来。钛合金的铸造工艺和钢的精铸类似。根据熔模铸造时所选择的不同型壳可以把熔模铸造工艺划分为一下几类：石墨熔模铸型、惰性氧化物面层陶瓷铸型和钨面层陶瓷铸型。表1-3列出了他们各自的特点。
表1-2 钛合金精密铸造工艺特点[3]
常用工艺 机加工石墨型 石墨捣实型 金属型 熔模铸造
型材 高纯人造石墨块 高纯人造石墨粉 铸铁或难熔金属 惰性氧化物金属和高纯石墨
优点 成本低，抗变形能力强，成形周期短，导热性好，稳定性高，润湿性好，表面光洁，尺寸精准 透气性好，成本低，化学稳定性高，可以铸造大型的复杂构件 工艺简单，铸件尺寸比较精确，成本低，使用寿命长，成形周期短，冷速快 适应性强，铸件尺寸精确，表面光洁，铸造大型复杂构件，成本低，生产灵活性高
缺点 容易导热 强度低，发气量大，变形严重，表面粗糙度高 冷速快，有熔焊区产生，铸件表面存在脆性层 工艺复杂，成本高
主要缺陷 流痕，冷隔 缩孔，气孔，针孔，缩松 冷隔，流痕，缩孔，缩松，气孔 冷隔，表面污染层，缩孔
表1-3 钛合金熔模铸造工艺特点[4]
种类 石墨熔模铸型 钨面层陶瓷铸型 惰性氧化物面层陶瓷铸型
优点 成本低，工艺简单 表面污染少，收缩小，精度高 精度高，收缩小，表面光洁
缺点 收缩大，表面冷却快，有渗碳层 成本高，工艺复杂，表面冷却快 表面易产生脆性层，存在气孔缺陷
适用范围 中小型铸件 大型的复杂铸件 大型的复杂铸件
1.2.4 钛合金的应用及发展前景
随着钛合金熔模铸造技术的不断发展，原本钛合金产量少的问题已逐步得到解决，钛合金的应用范围正在慢慢扩大，使其在很多领域都得到了很好的应用。
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