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作者及机构
本研究的通讯作者为Jieren Yang（西北工业大学凝固技术国家重点实验室），合作者包括Hu Wang、Yulun Wu、Xuyang Wang及Rui Hu。研究成果发表于《Advanced Engineering Materials》期刊，发表日期为2017年，文章编号1700526。

学术背景
TiAl（钛铝合金）因其高温机械性能和抗氧化性（650–900°C）被视为航空与汽车工业中替代镍基合金的潜力材料。然而，其共价晶体结构导致本征脆性，且传统铸造工艺易产生宏观缺陷（如裂纹、孔隙），制约了其工业化应用。为解决这些问题，研究团队设计了一种集电磁悬浮熔炼（induction skull melting, ISM）、反重力铸造（counter-gravity casting, CGC）和模具预热于一体的新型复合炉，旨在通过可控工艺优化TiAl铸件的成形能力与微观组织。

研究流程
1. 设备设计与构建
- 复合炉结构：采用双腔室不锈钢设计，下部为ISM熔炼室（容量20 kg），上部为预热模具室（最高1200°C），通过密封法兰连接。
- 关键技术：
- 电磁悬浮熔炼：5匝感应线圈（5–10 kHz，最大功率500 kW），铜坩埚水冷以避免污染。
- 反重力铸造：通过气压差（≤100 kPa）控制熔体经升液管（lift tube）填充模具，填充速率可调以减少湍流。
- 模具预热系统：石墨环感应加热（60 kW），配合砂箱保温，确保模具温度均匀。
- 创新点：首次将ISM、CGC和模具预热集成于单一设备，实现熔炼-填充-冷却全流程控制。

1. 实验材料与模具制备

   • 材料：名义成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb（at%）的预合金锭，通过真空电弧熔炼制备。
     
   • 模具：采用3D打印蜡模（图2a）制备陶瓷模具，面层为Y₂O₃浆料（抗Ti熔体侵蚀），背层为莫来石-硅溶胶（图2b）。模具经950°C烘焙，并设置排气孔。

2. 熔炼与铸造工艺

   • 熔炼阶段：在氩气保护下，以320 kW功率熔炼TiAl合金，过热5分钟以均匀成分。
     
   • 填充控制：下部腔室加压至50 kPa，熔体通过升液管平稳填充模具（图3b），压力曲线与预设值吻合（图4）。
     
   • 冷却处理：模具在900°C保温4小时以释放热应力，随后控温冷却以避免β相偏析。

3. 表征与分析

   • 无损检测：X射线显示铸件无宏观缺陷（图5b–d），薄壁结构（3 mm）填充完整（图6）。
     
   • 显微组织：铸态组织为α₂/γ层片状晶团（尺寸100–150 μm）和少量块状γ相（图7），无铜污染。

主要结果
1. 成形质量：反重力铸造结合模具预热显著减少了孔隙和裂纹，薄壁铸件（如200 mm高、3 mm厚壳体）实现完全填充（图6a）。
2. 微观组织：控冷工艺抑制了B2脆性相，层片状晶界形貌与冷却速率相关（图7）。
3. 工艺验证：X射线证实该方法适用于复杂几何形状（如阶梯样品），为工业化生产奠定基础。

结论与价值
1. 科学价值：提出了一种多工艺协同的TiAl铸造新方法，揭示了熔体流动-凝固-相变的耦合机制。
2. 应用价值：设备设计可直接用于航空发动机叶片等复杂部件制造，提升生产效率和成品率。
3. 行业意义：解决了TiAl铸件缺陷控制难题，推动其在高温结构件中的应用。

研究亮点
1. 设备创新：全球首台ISM-CGC-模具预热复合炉，实现全流程参数精确调控。
2. 工艺优化：通过控压填充和梯度冷却，兼顾成形性与组织性能。
3. 跨学科融合：结合电磁冶金、反重力铸造和增材制造技术，为难加工材料提供新思路。

其他价值
- 研究获得中国国家自然科学基金（51401168、51774238）等支持，部分成果已用于航空部件试制。
- 团队开发的Y₂O₃陶瓷模具配方可推广至其他活性合金铸造领域。

（注：全文约1500字，涵盖研究全貌，重点突出方法创新与结果逻辑链。）