● 摘要
TiAl基合金是一种极有潜力的轻质高温结构材料，在航空发动机领域有非常好的应用前景。TiAl基合金的性能对组织非常敏感，研究表明，当合金的片层取向与载荷轴平行时其室温塑性和强度可达到最佳匹配。采用定向凝固精密成型技术对TiAl基合金进行制备，不仅能控制晶粒的取向，得到具有最佳综合性能的全片层组织，还可以实现叶片类复杂铸件的近净成形，对于提高发动机的性能具有重要意义。然而，TiAl基合金熔体具有很高的化学活性，定向凝固过程中容易与型壳材料发生反应，对合金造成污染，这限制了定向凝固技术在TiAl合金中的应用。
发展TiAl合金定向凝固精密成型技术的关键，在于开发出合适的型壳材料和制备工艺。本文通过热力学计算选择了Al2O3，ZrO2和Y2O3作为备选的型壳材料。研究了高温长时条件下TiAl合金与铝溶胶-氧化铝系、二醋酸锆-氧化锆系、二醋酸锆-氧化钇系型壳之间的相互作用，在此基础上，优选、制备了钇溶胶-氧化钇系型壳，并对其制备工艺进行优化。最后，使用钇溶胶-氧化钇型壳对TiAl合金进行定向凝固，并研究了定向凝固过程中合金与型壳间的相互作用，提出降低合金与型壳相互作用的途径。
针对1550℃保温30min条件下Ti-47Al-2Cr-2Nb合金与铝溶胶-氧化铝系、二醋酸锆-氧化锆系和二醋酸锆-氧化钇系型壳之间的相互作用的研究表明，TiAl合金与铝溶胶-氧化铝型壳和二醋酸锆-氧化锆型壳发生了严重的反应，在TiAl合金试棒界面处形成了明显的反应层，合金试棒内部生成了大量的Al2O3夹杂物，合金试棒中的增O量分别为0.98wt%和0.60wt%。TiAl合金与二醋酸锆-氧化钇型壳之间的反应较弱，合金界面处有一层由Y2O3和新相Y-Al-O组成的物质，内部基体中有少量的Y-Al-O夹杂物，合金试棒中的增O量为0.34wt%，二醋酸锆-氧化钇型壳具有较好的稳定性。
针对型壳焙烧温度、TiAl合金熔体的保温温度以及型壳中的添加剂偏钨酸铵对TiAl合金熔体与二醋酸锆-氧化钇型壳之间相互作用的研究表明，对于二醋酸锆-氧化钇型壳，合金-型壳相互作用程度与型壳的焙烧温度关系不大，随着合金熔体保温温度的升高而增加。合金与型壳的保温温度为1550℃～1600℃时，合金试棒中的增O量为0.32wt%～0.39wt%，合金与型壳的保温温度为1650℃时，合金中的增O量为0.56wt%～0.60wt%。合金熔体的保温温度高时，二醋酸锆-氧化钇型壳稳定性差，合金中具有较高的增O量，这是型壳中的粘结剂二醋酸锆和添加剂偏钨酸铵焙烧后的产物ZrO2和WO3不稳定引起的。
鉴于Y2O3良好的化学稳定性，本文选用钇溶胶为粘结剂，制备了钇溶胶-氧化钇型壳，研究了粉液比、搅拌时间和表面活性剂的加入量对料浆粘度的影响。根据型壳面层和临面层的重量随时间的变化，确定型壳面层和背层的干燥时间为15h。EDS和XRD分析表明，钇溶胶以及钇溶胶-氧化钇型壳焙烧后为纯Y2O3。随型壳焙烧温度的升高，钇溶胶-氧化钇型壳的烧结程度增加，型壳内表面的致密度提高。通过分析比较，确定了钇溶胶-氧化钇型壳的最优制备工艺，制备出全氧化钇体系的型壳。
使用钇溶胶-氧化钇型壳对TiAl合金进行定向凝固，型壳焙烧温度为1300℃、1550℃和1650℃，定向凝固温度分别为1550℃、1600℃和1650℃，抽拉速度为6mm/min。结果表明，定向凝固后合金铸棒界面处粘附有一层白色的Y2O3，合金基体内部存在一些Y2O3夹杂物。随着定向凝固温度的升高，合金铸棒界面处粘附的Y2O3减少，合金内部基体中Y2O3夹杂物的尺寸增大，合金中的增O量增加。当定向凝固温度为1650℃时，提高型壳的焙烧温度可以有效降低合金试棒中的增O量。定向凝固温度为1550℃～1650℃，抽拉速度为6mm/min时，合金试棒中的增O量为0.08wt%～0.16wt%，仅为同样条件下二醋酸锆-氧化钇型壳增O量的1/4左右。
本文通过对制壳材料和制壳工艺的优化，制备了钇溶胶-氧化钇型壳，该型壳具有良好的化学稳定性，使用该型壳有效降低了定向凝固TiAl合金中的O增量。