● 摘要
随着我国大型飞机项目和各种新型发动机研制项目的启动，对包含回形油路、气路的复杂钛合金精密铸件的研制及应用提出了要求和挑战。镶铸作为制备钛合金细长孔精密铸件的一种方法，成为业界关注的关键技术之一。由于钛合金镶铸过程工艺参数复杂，对镶铸复合机理和镶铸件的综合评价还缺乏系统研究。本文以钛合金精密细孔铸件的研制为背景，将数值模拟与试验相结合，建立了镶铸件的力学性能评价方法，从镶铸钛合金管/母体界面特性表征入手，系统探讨了镶铸工艺参量对镶嵌管/母材的界面和镶铸件的力学性能的影响规律。
首先，建立了针对镶铸过程的数值模型，通过对其充型凝固过程的模拟，分析了镶铸比、镶嵌管表面形貌、浇口位置、预热温度、浇注温度等工艺参量对镶铸件温度场的影响规律，并通过典型试验对模拟结果进行了验证。结果表明，镶铸工艺设计中应优先考虑镶铸比，镶嵌管的表面形貌以及浇口位置等因素。镶铸比的提高可以显著增加镶嵌管的高温保持时间，但过高的镶铸比可能导致镶嵌管出现熔穿的风险；通过在镶嵌管表面制造沟槽改变表面形貌可以提高界面熔合效果；浇口位置应尽量向两端偏移，才可以保证镶嵌管与母材之间得到整体的熔合。
其次，对镶铸件的母材与镶嵌管复合界面的金相组织、微区成分、显微硬度进行了表征，统计界面熔合率，研究了镶铸比、酸洗减薄镶嵌管体，以及镶嵌管体表面粗糙度对镶铸复合界面的影响规律，探讨了镶铸复合界面的凝固机制。结果表明，钛合金金属细管镶铸熔合界面形成了垂直于界面生长的细小α片层，母材与镶嵌管之间Al元素扩散连续，显微硬度过渡平缓，形成了冶金结合。随着镶铸比的提高或管体表面粗糙度的降低，熔合率呈增大的趋势；镶嵌管的表面质量对熔合率影响巨大。镶铸件母材金属液与镶嵌管体接触使其表层熔化，与母材金属液共混后，以镶嵌管体表面为依托开始凝固。
最后，通过管状和环状拉伸试样设计，建立了钛合金镶铸件的力学性能评价方法，分析了镶铸工艺参量对镶铸件力学性能的影响，探讨了镶铸拉伸试样的断裂机制。结果表明，可以采用环状或管状试样对镶铸件的力学性能进行评价；提高镶铸比，对镶嵌管表面进行滚花处理均有助于提高镶铸件的抗拉强度。镶铸拉伸试样的力学性能主要由母材保证，在镶铸件的设计时，可通过适当增加母材壁厚来保证镶铸件的绝对强度。