定向凝固钛铝合金熔体与铸型涂层界面反应微观机理研究

For the interfacial reaction between TiAl alloy melt and mold coating, the micro-mechanism on the interfacial reaction between TiAl alloy melt and mold coating is investigated through experimental research, theoretical analysis together with microscale simulation. During the directional solidification, the TiAl alloy is directionally solidified in a mold with protective coating. By combing the reactive layer research and the theoretical calculation of thermokinetic parameters on the interfacial reaction, the thermokinetic law on the interfacial reaction is presented. On this basis, microscopic model on the atomic scale for the interfacial reaction is established by means of the First Principle. The effects of the processing parameters on the interfacial reaction are simulated. The micro-mechanism on the interfacial reaction between TiAl alloy melt and mold coating during directional solidification is revealed. The integrated physical model of interfacial reaction under the multi-factor coupling is established. The project not only provides the theoretical basis for designing and preparing the high quality TiAl alloy during directional solidification, but also improves the microscopic simulation technology on the interfacial reaction.

针对定向凝固钛铝合金熔体与铸型涂层界面反应问题，采用试验研究、理论分析以及微观尺度模拟相结合的方法，进行钛铝合金熔体与铸型涂层在定向凝固条件下的界面反应微观机理研究。采用自主开发的辅助铸型涂层技术制备定向凝固钛铝合金铸件，通过研究铸件界面反应层特征，并结合界面反应热力学和动力学相关参数的理论计算，阐明界面反应热力学和动力学规律；并在此基础上借助第一性原理模拟方法，构建界面反应原子尺度微观模型，模拟各参数对界面反应的影响，揭示定向凝固钛铝合金熔体与铸型涂层间界面反应微观机理，建立多因素耦合作用下界面反应的一体化物理模型。本项目的研究不仅将为设计制备出优质定向凝固钛铝合金铸件提供理论依据，而且对促进界面反应微观模拟技术的发展具有重要意义。

定向凝固方法制备的钛铝合金铸件因其具有优异的性能被广泛关注，然而由于凝固过程中TiAl合金熔体具有很高的活性，几乎会与所有的铸型材料发生界面反应，导致在铸件表面形成污染层，影响了合金的使用性能。如何控制钛铝合金熔体与铸型材料之间的界面反应，成为定向凝固领域的重要课题。本项目针对定向凝固钛铝合金熔体与铸型涂层界面反应问题，采用试验研究、理论分析以及微观尺度模拟相结合的方法，进行钛铝合金熔体与铸型涂层在定向凝固条件下的界面反应微观机理研究。. 采用ZrO2、Al2O3、Y2O3三种涂层，研究了熔体与铸型涂层界面反应，结果发现，界面反应的程度由大到小对应的涂层依次为：ZrO2>Al2O3>Y2O3。改变合金中Nb和Al元素的含量，发现增加合金中Nb元素含量增强了熔体的活性，增加了界面反应的程度和反应层厚度；而Al元素的变化规律却与Nb元素的相反。随着抽拉速度的增加，界面反应层的厚度呈逐渐增大的趋势。保温时间越长界面反应的厚度越大，随着保温时间的增加，界面反应层的反应物形态由聚集逐渐趋向分散，以颗粒的形态分布在界面或基体内部。随着浇注温度的增加，界面反应的程度愈趋剧烈，定向凝固TiAl合金的浇注温度应在其熔点之上的30~50℃。通过计算1873K下不同氧化物的标准生成自由能，发现Y2O3的稳定性最好，最不容易分解，Al2O3次之，而ZrO2最容易分解，验证了实验结果。利用Meidema生成热模型计算了Ti-Al-Nb三元体系的活度，发现Al含量越大，相应体系活度值反而降低，基本呈线性关系，说明Al元素的加入能够降低合金熔体的活性；而Nb含量越大，相应体系活度值越大，近似成二次指数关系，说明在Nb元素的加入能够显著提高合金熔体的活性。模拟结果发现ZrO2的分解能最大，在熔体的冲击下最容易溶解进入熔体，界面反应以固溶机制为主；Al2O3分解的氧原子其扩散能力最强，界面反应以原子的扩散机制为主，模拟结果与实验结果相符。. 本项目的研究不仅为设计制备出优质定向凝固钛铝合金铸件提供理论依据，而且对促进界面反应微观模拟技术的发展具有重要意义。