工艺参数对真空吸铸TiAl基合金连杆铸造过程的影响_骆良顺

第21卷第4期2013年8月材料科学与工艺MATEＲIALS SCIENCE ＆TECHNOLOGYVol．21No．4Aug．，2013工艺参数对真空吸铸TiAl 基合金连杆铸造过程的影响骆良顺1，韩宝帅1，王亮1，苏彦庆1，2，冯明1，郭景杰1，傅恒志1（1．哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨150001；2．华中科技大学模具技术国家重点实验室，武汉430074）摘要：本文利用底漏式真空吸铸方法制备TiAl 合金汽车发动机连杆铸件，并研究了吸铸工艺参数对铸造过程的影响．分别采用了金属型芯金属模具、陶瓷芯金属模具以及陶瓷型壳进行性吸铸实验，研究了不同的吸铸参数对连杆铸件的成形性影响．得到了TiAl 合金底漏式真空吸铸的优化工艺参数，初步获得了形状完整的连杆件．关键词：TiAl 合金；真空吸铸；工艺参数中图分类号：：TG249．4文献标志码：A文章编号：1005－0299（2013）04－0076－04The influence of process parameters on the vacuum suctioncasting titanium aluminum connecting rodLUO Liang-shun 1，HAN Bao-shuai 1，WANG Liang 1，SU Yan-qing 1．2，FENG Ming 1，GUO Jing-jie 1，FU Heng-zhi 1（1．School of Materials Science and Engineering ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150001，China ；2．State Key Laboratory of Materials Processing and Die ＆Mould Technology ，Huazhong University ofScience and Technology ，Wuhan 430074，China ）Abstract ：This paper analyzes the influences of process parameters on the suction casting titanium aluminum connecting rod．Metal mold with metal cores ，metal mold with ceramic cores and ceramic shell were used to cast TiAl alloy connecting rod ，and the effects of parameters on TiAl alloy formability in suction casting was studied．The process parameters of vacuum suction casting have been optimized ，and a complete connecting rod has been obtained using ceramic shell．Key words ：TiAl alloy ；suction casting ；process parameters收稿日期：2012－09－05．基金项目：材料成形与模具技术国家重点实验室开放基金资助项目（2012－P09）；黑龙江省杰出青年科学基金（JC201209）．作者简介：骆良顺（1980－），男，讲师；苏彦庆（1969－），男，教授，博士生导师．通信作者：苏彦庆，E-mail ：SUYQ@hit．edu．cn．目前，汽车上的连杆多采用钢为基本材料，但是随着汽车轻量化的需求日益升高，急需降低连杆的质量来提高发动机的效率［1］．TiAl 基金属间化合物具有低的密度（3．9 4．1g /cm 3），较高的比强度、比刚度，良好的抗高温氧化性，优异的高温抗蠕变性和阻燃性．在600 800ħ温度范围内，TiAl 基合金的比强度优于钛合金，同时不低于密度较高的镍基合金［2］．正是这些优异的性能，受到越来越多材料学者的关注．但是TiAl 基合金的室温塑性差，热变形能力较差，并且铸造性能差，容易产生缩松、缩孔等缺陷，晶粒粗大．这些都限制了TiAl 基合金的成形．Ti 合金及TiAl 合金的汽车零部件正处于积极开发中，并且在部分车型上已经获得了应用［3］，但是由于生产成本高，目前主要应用在赛车和部分豪华车型上．因此，推广Ti 及TiAl 基合金在汽车工业的应用首先要解决的问题就是开发一种方便、低成本的成形方法．底漏式真空吸铸是本研究组近期开发的，结合了非自耗电弧熔炼方式与金属型铸造和熔模铸造工艺，适用于Ti 合金及TiAl 金属间化合物的新型铸造方法．这种方法具有许多独特的优势，主要表现在：1）钛合金熔体是在自身重力和气体压力的耦合作用下充型，所以充型能力得到很大的提高，在成形小型薄壁，复杂形状件上具有很大优势；2）在钛合金的充型能力得到保证的条件下，铸型可以采用硬模，并且不需要预热很高的温度，所以工艺简单，效率高，成本低；3）钛合金充型、凝固过程迅速，组织均匀细小，可以提高铸件的性能．在气体压力和重力的耦合作用下，液态金属的充型能力大大的提高．本文尝试采用真空吸铸方法制造小型复杂连杆件，探索真空吸铸过程制备汽车发动机配件的可行性，研究工艺参数对真空吸铸过程的影响．连杆件的形状如图1所示．图1连杆的形状结构1试验实验所选的TiAl 合金成分为Ti －47Al －2Cr －2Nb ，熔炼设备为非自耗电极电弧炉．首先对连杆的真空吸铸过程进行了系统的数值模拟研究，数值模拟结果［4－6］表明，吸口直径为4mm ，充型速度为1m /s 时，浇注温度要不小于1600ħ时，金属熔体可以充满铸型，获得完整的铸件．本文采用4mm 吸口直径，充型速度由实际情况决定，熔炼过程中，合金全部熔化后，继续增加熔炼电流，增加合金熔体的过热度，同时启动机械泵将模具室内的气体抽走，使得合金熔体在气体压力与重力的作用下充填铸型，获得铸件．2结果及分析2．1连杆件充型过程的数值模拟为了了解金属液的流动，分析金属流动过程，采用数值模拟软件ProCAST 对铸件的充型及流动过程进行分析计算，为保证完整充型，采用浇注温度为1610ħ时的充型结果如图2所示．金属液进入铸型后，沿着型壁流动，温度降低，紧挨着金属模具的地方温度下降得最大；在连杆上部大圆与中部杆身的过度位置处，金属液发生交汇，并且这个过渡区是在杆身充满后金属液向上反重力方向填充，因此在此处容易产生涡流、裹气等现象；金属液最后充填的位置是冒口处，这样可以形成顺序凝固条件，对后凝固的部位起到补缩的作用．图2充型过程的数值模拟2．2金属型芯模具吸铸成形连杆件在非自耗电弧熔炼过程中，水冷铜坩埚中的纽扣锭中心部位温度比较均匀，所占据的比例也比较大，因此可以用纽扣锭中心部位的温度来代替合金熔体整体温度．随着熔炼电流的增加，合金熔体的温度基本呈线性的规律增加［7］．图3是在用金属模具、金属型芯条件下吸铸成形的TiAl 基合金连杆件，铸件的充型顺序与图2中的模拟结果基本符合．图3金属型芯条件下吸铸成形连杆件随着熔炼电流的增加，充型的比例增加，铸件的形状更加完整．图3（a ）中，熔炼电流为200A 时，金属熔体的主体温度接近1580ħ，浇注温度较低，金属液进入铸型后快速冷却凝固，很难充填满铸型，液流的前端到达杆身的中部位置；图（b ）熔炼电流为250A 时，金属熔体的主体温度略大于1590ħ，液流前端流动至连杆件小圆端部，但由于金属型的激冷能力很强，与模具接触的前端金属液迅速冷却，无法继续流动，继而凝固；图（c ）中熔炼电流为300A 时，金属熔体的主体温度接近于1610ħ，金属液在较高的温度下充填·77·第4期骆良顺，等：工艺参数对真空吸铸TiAl 基合金连杆铸造过程的影响铸型，具有较好的流动性，可以将铸型填满，得到完整铸件．这与之前的数值模拟结果是相符的［4］．在图3中可看到除图（a ）外，图（b ）、图（c ）所显示的铸件上均有裂纹出现．这是凝固过程中发生凝固收缩以及不同位置的冷却速率不同等原因产生应力造成的．为了比较直观的分析各种情况下铸件内部应力，利用ProCAST 软件对应力分布规律进行了数值模拟，得到不同铸造条件下完整铸件的应力分布见图4．图4不同冷却条件下连杆件的有效应力分布规律分析连杆的结构及图4的应力模拟结果可以发现，连杆件中上下两个圆环与杆身交界处存在平滑的过渡区域，比较厚大，凝固速度较慢，应力分布比较小；底部小圆处壁较薄，金属冷却速度快，应力集中的现象较严重；中间杆身部位壁厚较薄，冷却速度快，同时上下两个型芯的固定作用阻碍杆身发生的凝固收缩，相当于施加了反方向的力来拉扯杆身一样，因此杆身处的应力集中尤为明显；在大圆处采用金属型芯的铸造过程中，金属液与型芯相接处冷却速度较快，因此表面迅速凝固，而中心部位冷却慢，这样由于冷却速率不同，在大圆表面处产生了应力集中．图3（a ）中，由于金属液填充比率小，凝固收缩时退让空间较大，因此应力集中作用比较小；图3（b ）中，连杆件在金属型芯位置处产生裂纹，这是由于金属型芯强度较高，冷却能力也较强，TiAl 基合金充入铸型后冷却凝固收缩较大，连杆大圆端部凝固收缩时受到型芯的阻碍作用产生应力集中，在此处产生裂纹，如图4（a ）所示；图3（c ）中，TiAl 合金充填铸型的比率达到100%，金属液冷却凝固收缩过程中受到两个型芯的阻碍作用，在两端的型芯处及中间的杆身部分都产生较大得应力，造成连杆件有裂纹产生并断裂，如图4a 所示．2．3陶瓷芯模具吸铸成形连杆件图4数值模拟中显示，两个金属芯的对收缩的阻碍作用是产生应力的主要原因．为此，在保证金属型不变的情况下改变一个型芯的退让性，减少收缩时的阻力可能避免在连杆中产生应力集中，为此将顶部大圆处的型芯改为陶瓷芯，小圆端部仍然采用金属型芯．图5是在陶瓷芯条件下吸铸成形的TiAl 基合金连杆．从试验结果可见采用陶瓷芯铸出来的大圆端部处没有裂纹出现，而采用金属型芯铸出来的小圆端部处有裂纹出现，并且原本在连杆中间偏上部分出现的裂纹移动到了接近小圆端部处．图5陶瓷型芯条件下吸铸成形连杆件TiAl 基合金熔体充填到铸型内部与金属型芯接触时，由于金属型芯较强的冷却能力，金属熔体的温度迅速降低并冷却凝固，凝固过程中TiAl 基合金产生较大的收缩．但是由于金属型芯的强度很高，可以认为是刚性的，合金的收缩受到阻碍，合金内部产生较大应力，因此连杆件的小圆端部处产生了裂纹；而合金熔体在与大圆端部处的陶瓷芯接触时，由于陶瓷芯的冷却能力、强度都比金属型芯低，合金熔体的冷却速度降低，凝固收缩时受到的阻力也降低，在此处并没有裂纹产生．从图4（b ）中可以看出，大圆表面处的应力较图4（a ）大大降低，杆身处的应力值也较大程度的降低．这说明利用陶瓷型芯制备连杆件时可以降低冷却速度并减少连杆件内部的应力，避免产生裂纹．但是可以明显的看出，在陶瓷芯的周围，铸件上存在气孔、氧化层等缺陷，这是由于TiAl 合金熔体的本身活性很高，TiAl 合金熔体与型芯中的氧化物发生反应，产生气孔和氧化等缺陷．2．4陶瓷型壳吸铸成形连杆件为制得完整连杆，本文采用熔模铸造的方法，·87·材料科学与工艺第21卷制备连杆的陶瓷型壳，将金属液浇注到陶瓷型壳中，利用陶瓷型壳的整体退让性，减小铸件在凝固过程中的收缩阻力，防止裂纹的发生．由于金属模具具有良好的强度和机械加工性能，在模具与坩埚的配合面上，可实现良好的密封．陶瓷型壳不具有前面所述的优点，因此密封性较差，吸铸过程中，气体压力差减小，对充型能力的提高作用要稍小于金属型，因此为获得完整的铸件，需要提高金属液的温度以保证在金属液可以完整充填陶瓷型壳．图6为采用上述方法制备的连杆件，由图可知，熔炼电流较低时，金属液不能完整的充填型壳，得不到完整的铸件，随着熔炼电流的增加，金属熔体的温度持续升高，金属液的流动性增加，金属液充填铸型的比率增大，当熔炼电流达到500A 时，采用真空吸铸和熔模精密铸造相结合的成形工艺制备了完整的连杆件．图6利用陶瓷型壳吸铸成形的连杆件在底漏式真空吸铸的工艺下，TiAl 基合金的充型能力得到保证，成形了复杂薄壁的连杆件，并且，在陶瓷型壳中，凝固过程中的应力大大降低，大大减少了铸件发生断裂的可能，而且在熔模精密铸造工艺下制备的连杆件型壳也能较好的保证连杆件的表面质量．获得对铸件进行初步检测并未发现明显的铸造缺陷．3结论1）在利用金属模的吸铸过程中，随着熔炼电流的增加，金属的充型比例逐渐增大，在熔炼电流为300A 时，金属液可以完全充满铸型，形成完整铸件．但由于冷裂现象的存在，不能获得完整的连杆铸件．2）利用陶瓷芯金属模具进行了TiAl 合金连杆件的吸铸成形实验，结果表明金属型芯会在连杆件内部引起较大应力产生裂纹，而陶瓷芯避免了裂纹的产生，但会增加缩孔、气孔、氧化等缺陷，并且难以完全避免冷裂缺陷．3）提出了将底漏式真空吸铸工艺和熔模铸造工艺相结合的成形方法，即采用熔模精密铸造的方法先制备连杆件的低成本陶瓷型壳，进行真空吸铸成形，制备了完整的连杆件．参考文献：［1］李鹏．国外汽车发动机连杆材料最新应用［J ］．材料应用，2010，1：42－45．Li Peng．The latest application of the foreign automo-tive engine connecting rod material ［J ］．Automobile Technology ＆Material．2010，1：42－45．［2］黄伯云．钛铝基金属间化合物［M ］．长沙：中南工业大学出版社，1998．Huang Boyun．Titanium aluminum intermetallic com-pound ［M ］．Chang Sha ：Central South University Press ，1998．［3］C．莱茵斯，皮特尔斯，陈振华（译）．钛与钛合金［M ］．北京：化学工业出版社．2006．Leyens C．Peters M．Titanium and Titanium alloys ［M ］．Beijing ：Chemical Industry Press．2006．［4］冯明，骆良顺，苏彦庆，等．TiAl 基合金连杆件底漏式真空吸铸数值模拟［J ］．特种铸造及有色合金．2012，32（1）：42－45．Feng Ming ，Luo Liang shun ，Su Yan qing．Suction cast-ing simulation of titanium aluminum connecting rod ［J ］．Special Casting ＆Nonferrous Alloys．2012，32（1）：42－45．［5］SU Yan-qing ，YE Xi-cong ，GUO Jing-jie ，et al ．Studyon Vacuum Suction Casting for TiAl-Based Alloys ［J ］．Ｒare Metal Materials and Engineering ，2009，38（9）：1505－1508．［6］叶喜葱，苏彦庆，郭景杰，等．TiAl 基合金叶片吸铸成形缺陷的数值模拟［J ］．稀有金属材料与工程，2011，40（2）：247－250．Ye Xi Cong ，Su Yan Qing ，Guo Jing jie ，et al．Numerical simulation on suction casting defects of TiAl based alloy blade ［J ］．Ｒare Metal Materials and Engineering ，2011，40（2）：247－250．(编辑张积宾)·97·第4期骆良顺，等：工艺参数对真空吸铸TiAl 基合金连杆铸造过程的影响。