铸造TiAl合金凝固组织的截面尺寸效应
来源期刊:稀有金属2017年第7期
论文作者:胡海涛 马衍伟 朱春雷 李胜 张继
文章页码:751 - 758
关键词:铸造TiAl合金;尺寸效应;柱状晶生长方向;柱状晶宽度;
摘 要:采用数值计算和试验的方法,研究了直径30~50 mm Ti Al合金铸锭凝固组织的截面尺寸效应。结果表明:受径向散热和轴向散热竞争的影响,Ti Al合金铸锭的宏观组织存在竞争生长区、径向生长区和冒口影响区,随铸锭高径比增大,竞争生长区和冒口影响区占比减小,径向生长区占比增大。在径向生长区内,对于同一Ti Al合金铸锭,随散热距离的增加,柱状晶宽度增大,但增大的幅度逐渐减小;对于不同直径的Ti Al合金铸锭,在相同散热距离处,较大直径铸锭的柱状晶宽度更宽,且不同直径铸锭柱状晶宽度的差值随径向散热距离的增加而增大。通过拟合径向温度梯度和轴向温度梯度与铸锭直径和轴向散热距离的关系,建立了柱状晶生长方向与铸锭直径和轴向散热距离的关系。通过拟合温度梯度和凝固速率与铸锭直径和径向散热距离的关系,并耦合柱状晶宽度与温度梯度和凝固速率的关系,建立了柱状晶宽度与铸锭直径和径向散热距离的关系。
网络首发时间: 2016-09-28 09:52
稀有金属 2017,41(07),751-758 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15122804
胡海涛 张熹雯 朱春雷 李胜 张继
钢铁研究总院高温合金新材料北京市重点实验室
采用数值计算和试验的方法, 研究了直径30~50 mm Ti Al合金铸锭凝固组织的截面尺寸效应。结果表明:受径向散热和轴向散热竞争的影响, Ti Al合金铸锭的宏观组织存在竞争生长区、径向生长区和冒口影响区, 随铸锭高径比增大, 竞争生长区和冒口影响区占比减小, 径向生长区占比增大。在径向生长区内, 对于同一Ti Al合金铸锭, 随散热距离的增加, 柱状晶宽度增大, 但增大的幅度逐渐减小;对于不同直径的Ti Al合金铸锭, 在相同散热距离处, 较大直径铸锭的柱状晶宽度更宽, 且不同直径铸锭柱状晶宽度的差值随径向散热距离的增加而增大。通过拟合径向温度梯度和轴向温度梯度与铸锭直径和轴向散热距离的关系, 建立了柱状晶生长方向与铸锭直径和轴向散热距离的关系。通过拟合温度梯度和凝固速率与铸锭直径和径向散热距离的关系, 并耦合柱状晶宽度与温度梯度和凝固速率的关系, 建立了柱状晶宽度与铸锭直径和径向散热距离的关系。
中图分类号: TG292
作者简介:胡海涛 (1989-) , 男, 河北沧州人, 博士研究生, 研究方向:铸造TiAl合金;E-mail:13717678916@163.com;;李胜, 高级工程师;电话:010-62183386;E-mail:lisheng19790225@126.com;
收稿日期:2015-12-29
基金:国家重点基础研究发展计划项目 (2011CB605503) 资助;
Hu Haitao Zhang Xiwen Zhu Chunlei Li Sheng Zhang Ji
Beijing Key Laborary of Advanced High Temperature Materials, Central Iron and Steel Research Institute
Abstract:
Numerical calculation and experiment were used to study the dimensions size effect of solidification microstructure of Ti Al ingots with diameter from 30 to 50 mm. The results indicated that affected by the cooling competition from radial direction and axial direction, the macrostructure of Ti Al ingot included competitive growth zone, radial growth zone and riser affected zone. With the increase of height to diameter ratio, the proportion of competitive growth zone and riser affected zone reduced, while the proportion of radial growth zone added. In the radial growth zone, for the same Ti Al ingot, with the addition of cooling distance, the columnar grain width increased, while the increasing extent reduced gradually. For Ti Al ingots with different diameters, there was wider columnar grain in larger diameter ingot at the same cooling distance. And with the extension of cooling distance, the difference of columnar grain width among different diameter ingots gradually expanded. By fitting the relationship of radial temperature gradient and axial temperature gradient with ingot diameter and axial cooling distance, a quantitative relationship of columnar grain growth direction with ingot diameter and axial cooling distance was established. By fitting the relationship of temperature gradient and solidification rate with ingot diameter and radial cooling distance, and coupling the relationship of columnar grain width with temperature gradient and solidification rate, the relationship of columnar grain width with ingot diameter and radial cooling distance was established.
Keyword:
cast TiAl alloy; size effect; columnar grain growth direction; columnar grain size;
Received: 2015-12-29
由于凝固散热条件的差异, 铸件不同厚度部位组织特征通常有所不同, 而这种截面尺寸效应会导致铸件使役性能的不确定性。一般地, 导热率低、凝固区间窄的合金会表现出较为明显的凝固组织截面尺寸效应。有研究表明, Ti-48Al-2Nb-2Mn合金铸造圆棒直径由9 mm增加到25 mm, 平均层片团尺寸由370μm增大至750μm[1]。而基于大量组织与性能关系研究的结果[2,3,4,5,6,7], 这种程度的层片团尺寸差异会显著影响合金的力学性能, 如Ti-46.5Al-2.0Cr-1.5Nb-1.0V合金平均层片团尺寸由450μm降至150μm, 室温屈服强度由535 MPa提高到600 MPa[5]。因而, 具有较低导热率[8]和较窄凝固区间[9]的Ti Al合金铸造组织的截面尺寸效应更值得关注。
目前研究主要集中在散热距离小于12.5 mm的小截面铸件, 而一些在研Ti Al合金部件心部尺寸或最大壁厚已超过30 mm, 其不同散热距离位置上组织的差异会更大。此外, 有研究表明, Ti Al合金通过α相柱状晶凝固即可在冷却过程中形成界面垂直于柱状晶择优生长方向[0001]的定向层片组织[10], 使铸件在沿层片界面方向载荷作用下表现出优异的强度和较好的塑性[11]。而较大截面的Ti Al合金铸件凝固时通常受到多维方向的散热, 不同方向散热的竞争会影响α柱状晶的生长方向, 从而影响到层片取向。
本研究采用数值模拟方法, 计算直径30~50 mm Ti Al合金铸锭的凝固散热温度场, 得出不同直径铸锭凝固时的温度梯度和凝固速率。在设定的工艺条件下进行试验, 定量统计出不同直径铸锭、不同散热距离处的柱状晶生长方向和柱状晶宽度。根据计算与试验结果, 分别建立柱状晶生长方向以及柱状晶宽度与铸锭直径和散热距离的拟合关系, 对铸造Ti Al合金较大截面铸锭的尺寸效应进行分析讨论。
1实验
1.1材料
本研究所用Ti Al合金名义成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr (%, 原子分数) , 模具材质为高纯石墨。铸锭规格如图1所示, 保持浇冒口结构尺寸和铸锭高度 (80 mm) 不变, 改变铸锭直径依次为30, 40, 50 mm, 即随直径增加, 铸锭高径比逐渐减小。在铸锭直径和散热距离对柱状晶生长方向影响的研究中, 为充分体现不同方向散热的作用, 且避免铸锭中心轴线上可能存在的等轴晶给柱状晶生长方向的测量带来干扰, 本文在数值计算结果中统计径向温度梯度和轴向温度梯度, 在实验中测量柱状晶生长方向所选取的位置为距铸锭中心轴线2mm, 距底端高度30~80 mm范围, 沿轴向每隔5mm的部位。在铸锭直径和散热距离对柱状晶宽度影响的研究中, 为保证柱状晶宽度测量的准确性, 减小交叉生长的柱状晶对柱状晶宽度测量带来的误差, 在数值计算结果中统计温度梯度和凝固速率, 在实验中测量柱状晶宽度所选取的位置为距离铸锭底端50 mm高度, 沿径向从铸锭表面到中心每隔2.5 mm的部位。
图1 柱状晶生长方向与宽度研究所选位置示意图Fig.1 Selected position schematic diagram for study of colum-nar grain growth direction and width
1.2数值计算
采用Pro CAST有限元铸造模拟软件对Ti Al合金铸锭的凝固过程进行计算。依据铸锭和模具实际尺寸建立三维模型并划分网格, 由Pro CAST系统数据库、实际测量及文献参考等途径获得的Ti Al合金及石墨模具的主要热物性参数见表1。采用的铸造工艺参数为浇注温度1580℃, 浇注速度0.5m·s-1, 模具预热温度300℃。
1.3方法
合金在真空悬浮炉水冷铜坩埚中按照功率为130 k W, 时间为10 min的工艺制度进行三炉次熔炼浇注, 三炉次合金分别浇注到内径为30, 40, 50mm的石墨模具中, 得到3种直径的Ti Al合金铸锭。采用电火花线切割切除冒口部分, 并沿铸锭轴向从铸锭中心剖开, 经打磨、抛光, 采用3%HF+24%HNO3+23%H2O+50%丙三醇 (%, 体积分数) 侵蚀铸锭剖面, 在Olympus GX71光学显微镜 (OM) 上观察铸锭剖面组织, 使用定量金相法测量柱状晶的生长方向和柱状晶宽度。
表1 Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金及石墨模具的主要热物性参数Table 1 Thermal parameters of Ti Al alloy and graphite mold 下载原图
表1 Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr合金及石墨模具的主要热物性参数Table 1 Thermal parameters of Ti Al alloy and graphite mold
2结果与讨论
2.1铸锭直径和散热距离对柱状晶生长方向的影响
由文献[13]可知, 本文研究的Ti Al合金在凝固时, α柱状晶以其[0001]晶向平行于热流方向生长, 即柱状晶的生长方向与温度梯度的方向一致。则通过凝固温度场, 可以对柱状晶的生长方向进行预测。
图2所示的为3种直径Ti Al合金铸锭的凝固温度场, 3种直径铸锭凝固等温线的法向, 即温度梯度均垂直于铸锭表面指向铸锭心部, 且铸锭不同部位, 温度梯度的方向存在较大差异。具体来说, 对于同一铸锭, 在铸锭底端中心, 温度梯度垂直向上, 由铸锭底端中心至铸锭侧壁中段的区域, 温度梯度与铸锭轴向的夹角由0°连续增大至约90°, 且交汇在铸锭心部。从铸锭侧壁中段到上段的区域, 温度梯度与铸锭轴向的夹角呈现出逐渐减小的趋势。对比3种直径铸锭, 随铸锭直径增加, 铸锭下段温度梯度发生交汇的位置距铸锭底端的距离增加, 铸锭中段和上段的温度梯度与铸锭轴向的夹角有所减小。3种直径铸锭不同部位温度梯度方向的差别, 表明柱状晶生长方向可能会有所不同。
图3所示的是Ti Al合金铸锭的宏观组织, 3种直径铸锭的宏观组织均由从铸锭边缘向中心生长的柱状晶, 以及在中心轴线上不连续分布的等轴晶组成。Ti Al合金铸锭并没有形成中间粗大等轴晶, 这是因为, 一方面Ti Al合金导热率较低, 凝固时熔体温度趋于一致的速率较慢, 有利于温度梯度的保持, 凝固区间较窄, 发生成分过冷的倾向较小, 这使得Ti Al合金本征上具有较大的柱状晶生长倾向。另一方面, 石墨模具导热系数大, 能够将熔体凝固释放的热量传出去, 保证了温度梯度的持续性[14]。这两方面因素均有利于柱状晶的生长, 而不利于粗大等轴晶的形成。
对于同一铸锭, 在铸锭底端中心, 柱状晶沿轴向生长, 由铸锭底端中心至铸锭侧壁中段的区域, 柱状晶生长方向与铸锭轴向的夹角由0°连续增大至约90°, 且交汇在铸锭的中心轴线上。在铸锭中段, 柱状晶沿径向生长, 且方向基本不变, 而靠近浇冒口的上段, 随径向生长距离增加, 柱状晶生长方向发生轴向偏移。对比3种直径铸锭可以发现, 随直径增加, 在铸锭底段, 交叉生长的柱状晶发生交汇的位置与铸锭底端的距离增大, 柱状晶生长方向基本保持不变的铸锭中段区域逐渐缩小, 柱状晶生长方向发生轴向偏移的铸锭上段区域有所扩大。对比3种直径Ti Al合金铸锭的凝固温度场和宏观组织, 可以发现, 数值模拟结果能够较为准确地反映出不同直径铸锭不同部位柱状晶的生长方向。
图2 3种直径Ti Al合金铸锭的凝固温度场Fig.2 Solidification temperature field of Ti Al ingot
(a) Φ30 mm; (b) Φ40 mm; (c) Φ50 mm
图3 3种直径Ti Al合金铸锭的宏观组织照片Fig.3 Macrostructures of Ti Al ingot
(a) Φ30 mm; (b) Φ40 mm; (c) Φ50 mm
由上述的计算及实验结果可知, 不同直径铸锭, 不同部位的柱状晶生长方向的确存在差异, 为确定铸锭直径和散热距离变化后, 柱状晶生长方向发生改变的原因, 需研究温度梯度与铸锭直径和散热距离的关系。已知铸锭在凝固时受到径向和轴向两个方向散热的共同作用, 两个方向温度梯度的比值决定了热流的方向, 即柱状晶的生长方向。因此, 分别开展径向温度梯度和轴向温度梯度与铸锭直径和散热距离关系的研究。
3 种直径Ti Al合金铸锭不同轴向散热距离处的径向温度梯度如图4 (a) 所示, 不同轴向散热距离处, 直径30, 40, 50 mm铸锭的径向温度梯度均为定值, 依次为580, 305, 159 K·m-1。由于统计位置的径向温度梯度只受铸锭直径的影响, 通过线性回归, 可得到3种直径铸锭距中心轴线2 mm处, 径向温度梯度与铸锭直径的拟合关系为
式中GR为径向温度梯度, 单位K·m-1;D为铸锭直径, 单位mm。
3 种直径Ti Al合金铸锭不同轴向散热距离处的轴向温度梯度如图4 (b) 所示, 随轴向散热距离的增加, 直径30 mm铸锭轴向温度梯度先由256降到36 K·m-1, 而后升至371 K·m-1;直径40 mm铸锭先由241降到35 K·m-1, 而后升至267K·m-1;直径50 mm铸锭先由235降到31 K·m-1, 而后升至172 K·m-1, 3种直径铸锭的轴向温度梯度均表现出先减小后增大的趋势。根据轴向温度梯度随铸锭直径和轴向散热距离的变化特征, 建立轴向温度梯度与铸锭直径和轴向散热距离的拟合关系为
式中GA为轴向温度梯度, 单位K·m-1;dA为轴向散热距离, 单位mm。则θ=arctan (GR/GA) 表示距铸锭中心轴线2 mm处, 温度梯度方向与铸锭轴向的夹角, 也即柱状晶生长方向与铸锭轴向的夹角。
图4 3种直径Ti Al合金铸锭不同轴向散热距离处的径向温度梯度与轴向温度梯度Fig.4 Radial and axial temperature gradient at different axial cooling distances
(a) Radial temperature gradient; (b) Axial temperature gradient
图5所示的为3种直径铸锭不同轴向散热距离处, 试验测量和数值计算的柱状晶生长方向与铸锭轴向的夹角, 其中试验测量的结果为:随轴向散热距离的增加, 直径30 mm铸锭柱状晶与铸锭轴向夹角先由67.5°增加到86.8°而后减小至59.3°, 直径40 mm铸锭先由54.5°增加到82.3°而后减小至49.5°, 直径50 mm铸锭先由35.3°增加到76.4°而后减小至41°, 试验测量的结果再次验证了数值计算的准确性。由图5可知, 对于同一Ti Al合金铸锭, 随轴向散热距离的增加, 柱状晶生长方向与铸锭轴向的夹角先增大后减小, 而对于不同直径的铸锭, 在相同轴向散热距离处, 铸锭直径越大, 夹角越小。若柱状晶生长方向与铸锭轴向的夹角大于75°表示铸锭基本只受径向散热的影响, 小于75°表示同时受径向散热和轴向散热的影响, 则可以按照两个方向散热竞争的程度, 将Ti Al合金铸锭分为3个区域, 分别为铸锭下段由于径向散热与轴向散热相互竞争的竞争生长区, 铸锭中段主要受径向散热的径向生长区, 以及铸锭上段受浇冒口轴向热影响的冒口影响区。直径30 mm铸锭3个区域的尺寸依次为35, 34, 11 mm, 直径40 mm铸锭依次为41, 24, 15 mm, 直径50 mm铸锭依次为45, 13, 22 mm。可见, 随高径比减小, 径向生长区缩小, 竞争生长区和冒口影响区扩大。
2.2铸锭直径和散热距离对柱状晶宽度的影响
根据凝固理论[15], 晶粒尺寸与温度梯度和凝固速率成反比, 而Ti Al合金铸锭的温度梯度和凝固速率与铸锭直径和散热距离有关, 因此, 需分别研究温度梯度和凝固速率与铸锭直径和散热距离的函数关系, 以及柱状晶宽度与温度梯度和凝固速率的关系。
图5 3种直径Ti Al合金铸锭心部区域柱状晶生长方向与铸锭轴向夹角Fig.5 Angle between columnar grain growth direction and axi-al direction of ingot
3 种直径Ti Al合金铸锭不同散热距离处的温度梯度如图6 (a) 所示, 随径向散热距离的增加, 直径30 mm铸锭温度梯度由24836降至786K·m-1, 直径40 mm铸锭温度梯度由24683降至402 K·m-1, 直径50 mm铸锭温度梯度由24520降至185 K·m-1, 3种直径铸锭的温度梯度均随径向散热距离的增加而降低。由温度梯度随铸锭直径和散热距离的变化特征, 建立温度梯度 (G) 与铸锭直径和径向散热距离的拟合关系
3种直径Ti Al合金铸锭不同散热距离处的凝固速率如图6 (b) 所示, 随径向散热距离的增加, 直径30 mm铸锭的凝固速率先由0.1648降到0.1310 mm·s-1, 而后升至0.3126 mm·s-1, 直径40 mm铸锭先由0.1335降到0.0952 mm·s-1, 而后升至0.3196 mm·s-1, 直径50 mm铸锭先由0.1185降到0.0834 mm·s-1, 而后升至0.3392mm·s-1, 3种直径铸锭的凝固速率均表现为先减小后增大的趋势。根据凝固速率随铸锭直径和散热距离的变化规律, 建立凝固速率与铸锭直径和径向散热距离的拟合关系为
图6 3种直径Ti Al合金铸锭不同径向散热距离处的温度梯度与凝固速率Fig.6 Temperature gradient and solidification rate at different radial cooling distances
(a) Temperature gradient; (b) Solidification rate
式中V为凝固速率, 单位m·s-1。
图7所示的为3种直径Ti Al合金铸锭不同径向散热距离处, 试验测量和数值计算的柱状晶宽度, 其中实验测量的结果为:随径向散热距离的增加, 直径30 mm铸锭柱状晶宽度由290增加到509μm, 直径40 mm铸锭由313增加到588μm, 直径50 mm铸锭由330增加到693μm。数值计算的结果通过耦合试验测量的柱状晶宽度与计算出的温度梯度和凝固速率得到, 关系式为
再根据温度梯度和凝固速率与铸锭直径和径向散热距离的关系, 可得到Ti Al合金铸锭柱状晶宽度与铸锭直径和径向散热距离的关系式
由图7可知, 对于同一Ti Al合金铸锭, 随径向散热距离的增加, 柱状晶宽度增大, 但增大的幅度逐渐减小;而对于不同直径的Ti Al合金铸锭, 在相同径向散热距离处, 柱状晶宽度随铸锭直径增加增大, 且当径向散热距离增加时, 不同直径铸锭之间柱状晶宽度的差值有所增大。
图7 3种直径Ti Al合金铸锭的柱状晶宽度Fig.7 Width of columnar grain
由文献[16]可知, 枝晶一次间距和胞晶间距均与凝固系统所经历的历史显著相关, 且按照“分叉”[17]和“淹没”[18]机制进行调整。由此可知, 对于同一Ti Al合金铸锭, 柱状晶的宽度也必然与凝固系统的历史有关, 且存在变化。在凝固初期, 温度梯度较大, 溶质主要沿柱状晶纵向在固液界面前沿富集。此时, 随凝固距离增加, 凝固速率降低, 成分过冷减小, 柱状晶宽度增加。在凝固后期, 温度梯度较小, 领先生长的柱状晶沿横向排出溶质增多, 这将阻碍其毗邻的生长而造成“淹没”。此时, 随凝固距离增加, 凝固速率增大, “淹没”数量增加, 由此造成柱状晶宽度增加。对于不同直径铸锭, 直径越小, 凝固速率越大, 成分过冷程度越大, 因而柱状晶宽度越小。
3结论
采用数值计算和试验的方法研究了直径30~50 mm Ti Al合金铸锭凝固组织的截面尺寸效应, 结论如下:
1.按照径向散热与轴向散热竞争的程度, Ti Al合金铸锭的宏观组织可分为3个区域:铸锭下部由于径向散热与轴向散热相互竞争的竞争生长区, 铸锭中部主要受径向散热的径向生长区, 以及铸锭上部受浇冒口轴向热影响的冒口影响区;各区域的占比取决于铸锭的高径比, 随高径比增加, 径向生长区占比增大, 冒口影响区和竞争生长区占比减小。
2.在径向生长区内, 对于同一Ti Al合金铸锭, 随散热距离的增加, 柱状晶宽度增大, 且增大的幅度逐渐减小;对于不同直径的Ti Al合金铸锭, 在相同散热距离处, 直径越大的铸锭, 柱状晶宽度越宽, 且随径向散热距离的增加, 不同直径铸锭之间柱状晶宽度的差值增大。
3. 通过拟合径向温度梯度和轴向温度梯度与铸锭直径和轴向散热距离的关系, 建立了柱状晶生长方向与铸锭直径和轴向散热距离的关系;通过拟合温度梯度和凝固速率与铸锭直径和径向散热距离的关系, 并耦合柱状晶宽度与温度梯度和凝固速率的关系, 建立了柱状晶宽度与铸锭直径和径向散热距离的关系为
参考文献