基于ProCAST的高Nb-TiAl合金叶轮熔模铸造

刘金虎, 纪志军, 李 峰, 冯 新, 余 稳, 丁贤飞, 南 海

（1．中国航发北京航空材料研究院 铸造钛合金技术中心，北京 100095；2．北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100094；3．北京市先进钛合金精密成型工程技术中心，北京 100095）

γ-TiAl合金轻质高强、高温强度与抗氧化抗蠕变性能较好，是一种极具潜力的高温结构材料，近年来已经成功应用于汽车发动机叶轮与飞机发动机涡轮叶片等构件[1-4]。通过在γ-TiAl合金中加入5%～10%（原子分数）的Nb可以使室温塑性与蠕变和抗氧化性能有较好的匹配，近年来得到了较多的研究与发展，此类合金称为高Nb-TiAl合金[5-11]。汽车发动机叶轮的服役环境要求合金具有优异的高温强度和耐腐蚀性，同时较低的比重可有效提升发动机起动速度与瞬态响应性能，减少废气排放。高Nb-TiAl合金的密度（3.9～4.2 g/cm3）约为镍基高温合金的一半[12]，适合应用在叶轮上。

美国、日本、德国、瑞典等国都已经成功研制使用了TiAl叶轮，三菱重工将TiAl叶轮在三菱赛车上装机使用[13]。由于叶轮结构复杂，曲面加工难度较大，现有的研究多采用熔模精密铸造，但高Nb-TiAl合金的熔点高、黏度大、活性高等问题[14-15]，使得熔模铸造的难度较高，高Nb-TiAl合金的流动性随着Nb含量的增高而降低，叶轮最薄处仅为2.5 mm，完整充型的难度较高；高Nb-TiAl熔点高、收缩率大，精铸件容易形成缩孔缩松等缺陷。用传统的试错法成本高时间长，采用数值模拟的方法可以有效提升研发效率。目前TiAl精铸数值模拟研究发展较快[16-20]，但高Nb-TiAl的研究较少，缺乏薄壁件在实际生产条件下的精铸研究。……