[00916827]钛基合金构件电磁熔炼凝固成形技术

该项目属于机械工程一级学科。随着飞行器速度和推重比的提高，对涉及国家重大利益的火箭舱段及基盘、航空发动机叶片及机匣等关键构件的耐高温、高比强钛基合金的纯度、成分精度及组织性能要求越来越高。钛基合金具有高熔炼温度、高化学活性的特点，现有制备钛基合金的熔炼及铸造方法，存在氧含量高、成分偏差大、凝固组织难以控制等重大难题。而对上述挑战，项目组针对钛基合金电磁熔炼凝固成形关键技术与装备，持续开展了21年的研究和攻关，得到国家杰出青年基金项目、“863”项目、“973”项目、国防科工委基础科研项目、总装预研项目等项目的从基础到应用的全面支持。主要发明点： 1、发明了电磁原位熔炼铸造成形方法。揭示了电磁冷坩埚熔炼钛基合金凝壳形成机理，提出了合金组元挥发临界压力-阻塞压力的基本理论，发明了凝壳偏析控制方法和循环降低氧元素含量方法，突破了钛基合金熔体精度大、流动性差、成形能力低的难题，发明了氢化原位熔炼-吸铸成形方法。通过上述方法制备的钛铝合金铸锭，氧含量降低至325ppm，优于国内外同类材料水平；钛基合金铸造性能明显提高，充型时间小于3秒，是国际最高水平。 2、发明了电磁熔炼定向凝固方法。建立了电磁冷坩埚定向凝固过程中电磁场、温度场、流场及材料物性的耦合模型，揭示了凝固参数对凝固界面形貌和品粒生长取向的影响规律，突破了冷坩埚强侧向传热和凝固界面不稳定的难题，发明了侧向热补偿-电磁渗透深度综合调控方法。利用该方法制备的定向凝固钛基合金尺寸达到36mm×36mm×150mm，突破了国际上定向凝固钛基合金直径不超过15mm的局限，制备了世界上最大尺寸定向凝固组织钛铝合金叶片。 3、发明了多功能电磁熔炼凝固成形装备。针对电磁冷坩埚定向凝固技术方案，建立了“电磁冷坩埚结构-电学参数-炉料物性”交互耦合的电磁场计算模型，实现温度场-电磁场-流场的均衡调控，突破了电热效率偏低难题，发明的连续熔凝用电磁冷坩埚电热效率达到28%，远高于美国ConSarc和德国ALD公司生产的此类设备约22%的电热转换效率，彻底实现了高活性材料无污染熔炼与连续凝固的目标，成功研制了世界上第一套电磁冷坩埚定向凝固装备。 研究成果在航天海鹰钛业生产钛合金舱体及机闸、云南钛业生产10吨级高纯钛锭等转化和应用，新增产值3.3亿元，为完成国家重大型号任务、军工配套和装备制造做出了重要贡献。基于该项目的发明，研制出国内第一台核电乏燃料处理用电磁冷坩埚样机。项目实施过程中，授权发明专利41项，获得省部级—等奖3项，出版专著8部，在Acta Materialia、Metallurgical and Materials Transactions等国际著名期刊发表SCI论文362篇、SCI他引1225次。鉴定意见认为“该项目难度大、创新性强，具有完全自主知识产权。取得了显著的社会效益和经济效益，应用前景广泛。电磁冷坩埚定向凝固设备、钛基合金定向凝固组织控制达到国际领先水平”。除钛基合金外，该项目将在高纯材料、超高温材料领域具有重要的应用前景，发展前景广阔，经济效益将更加显著。