真空超重力铸造技术优化TiAl合金管件微观组织与缺陷控制：实现大尺寸构件的高性能制备

针对TiAl合金传统铸造中存在的微观组织粗大、缺陷多等问题，研究人员创新性地采用Y2 O3 基耐火材料结合真空超重力铸造技术，成功制备了工业级TiAl合金管件。通过调控冷却速率（10.88–35.51℃/s），实现了层片团簇细化（393.97→193.55μm）与力学性能提升（抗拉强度515MPa），为航空航天领域高性能构件制备提供了新方案。

　　

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论文解读

在航空航天领域，钛铝合金（TiAl）因其轻量化（低密度）和高比强度的特性，被誉为"未来高温结构材料的明珠"。然而，这种材料却有个"娇气"的毛病——传统铸造时容易产生粗大的层片团簇（lamellar colonies）和缩孔缺陷，就像一块内部布满裂纹的玻璃，稍受力就会碎裂。更棘手的是，TiAl合金的"热加工窗口"（hot-processing window）极窄，常规工艺需要反复热处理和机械加工，成本高昂到足以让制造商望而却步。

面对这些挑战，东北大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了真空超重力铸造技术。这项技术如同给金属熔体装上"离心机"，通过强大的超重力场（supergravity force field）压制枝晶生长、促进溶质均匀分布。但问题接踵而至：TiAl熔体就像"化学界的破坏王"，会与普通耐火材料发生剧烈反应，导致铸件被氧污染。为此，团队创新性地采用Y₂
O₃
基陶瓷坩埚——这种材料与TiAl的相互作用以物理侵蚀为主，能将夹杂物含量控制在较低水平。

研究团队通过真空感应熔炼（VIM）制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，设计24mm、12mm和6mm三种壁厚管件调控冷却速率。ProCAST模拟显示：中等壁厚（12mm）样本在21.24℃/s冷却速率下实现完美平衡——既通过超重力场细化层片团簇（降至193.55μm），又利用Y₂
O₃
颗粒实现二次相强化。力学测试揭示"黄金比例"现象：该冷却速率下的抗拉强度达515MPa，同时保持良好塑性，这归功于超重力场诱导的层片结构（lamellar-structures）多尺度协同强化机制。

关键技术方法
研究采用真空感应熔炼（VIM）配合Y₂
O₃
基坩埚制备合金，通过壁厚设计调控冷却速率（10.88–35.51℃/s），结合ProCAST软件模拟填充/凝固过程。微观结构通过SEM/EBSD表征，力学性能通过室温拉伸测试评估。

研究结果

1. 冷却速率对缺陷的影响
   中等壁厚样本实现凝固补缩平衡，缩孔率较厚壁件降低62%。超重力场促进熔体补缩，12mm壁厚件缺陷面积仅0.8%。

2. 微观组织演化
   冷却速率从10.88℃/s提升至35.51℃/s时，层片团簇尺寸下降51%，层片间距（lamellar spacing）同步缩减。21.24℃/s条件下获得均匀细化的γ/α₂
   层片结构。

3. 力学性能突破
   中等冷却速率样本展现强度-塑性协同效应：屈服强度提升38%，延伸率保持3.2%。断裂分析显示细层片结构可阻碍裂纹扩展。

结论与意义
该研究开创性地将真空超重力铸造与Y₂
O₃
基耐火材料结合，突破工业级TiAl管件制备瓶颈。发现21.24℃/s冷却速率是实现"缺陷控制-组织细化"平衡的关键参数，其诱导的多尺度强化机制（multi-scale synergistic strengthening）为航空航天构件设计提供新范式。这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的成果，标志着我国在高端钛铝铸件制备技术领域取得重要突破。