本文档属于类型a（单篇原创研究论文），以下是针对该研究的学术报告：

作者及发表信息

本研究由Jieren Yang、Yulun Wu、Rui Hu和Zitong Gao共同完成，作者单位包括西北工业大学凝固技术国家重点实验室和陕西省高性能精密成形技术与装备重点实验室。论文发表于《International Journal of Metalcasting》期刊，2020年由美国铸造学会（American Foundry Society）出版，DOI编号为10.1007/s40962-020-00525-z。

学术背景

研究领域与动机
本研究聚焦于钛铝合金（TiAl alloys）的铸造与微观结构优化。钛铝合金作为钛（Ti）和铝（Al）的金属间化合物，具有低密度（约4.0 g/cm³）、耐腐蚀和优异的高温机械性能，是航空航天和汽车工业中理想的高温结构材料。然而，其熔体化学活性高、流动性差、凝固收缩应力大，易导致铸造缺陷（如气孔、偏析）和微裂纹，传统工艺需分步进行熔炼、浇注和热处理，效率低且易引入污染。

研究目标
团队旨在开发一种集熔化、浇注、模具预热和热处理于一体的真空设备，通过精确控制工艺参数（如过热度、冷却速率），实现钛铝合金铸件的无缺陷成型与微观结构定向调控（如近层状NL或细全层状FFL组织），并验证其工业应用潜力。

研究流程与方法

1. 设备设计与构建

核心装置：
- 真空熔炼炉：整合熔化、浇注、预热和热处理功能，避免样品转移污染。
- 关键子系统：
- 熔化/浇注系统：采用Y₂O₃涂层陶瓷坩埚（通过3D打印聚苯乙烯芯模制备），底部锥形孔由石墨塞控制，红外测温仪实时监测熔体温度（精度±5°C）。
- 预热/热处理系统：石墨环辐射加热陶瓷模具，热电偶控温（800–1250°C），升降平台实现两种冷却模式（炉内冷却MC或氩气气氛冷却AC）。
- 真空与电源系统：三级泵（机械泵+罗茨泵+扩散泵）实现6×10⁻³ Pa真空，30 kHz高频电源（50 kW）用于熔化，1200 Hz中频电源（10 kW）用于模具加热。

创新点：
- 底部浇注设计：通过伺服系统快速移除石墨塞，重力驱动熔体流入模具，减少氧化风险。
- 一体化热处理：模具预热后直接进行等温退火（如1250°C保温30分钟），消除内应力并调控组织。

2. 实验材料与工艺

研究对象：
- 两种钛铝合金：Ti-48Al-2Cr-2Nb（合金#1）和Ti-43.2Al-8Nb-0.2W-0.2B（合金#2），通过真空感应熔炼（VIM）制备。
- 工艺参数：
- 合金#1：1600°C浇注，模具预热900°C，1250°C退火30分钟（获得NL组织）。
- 合金#2：1700°C浇注，模具预热1000°C，1230°C退火120分钟（获得FFL组织），并通过AC冷却细化层片间距（80 nm）。

3. 表征与测试

• 缺陷检测：X射线成像（Philips MG320）显示预热后气孔显著减少（图6）。
  
• 微观结构分析：SEM（Tescan Vega-LMH II）和TEM（FEI Talos F200X）揭示NL和FFL组织的形成（图7-8）。
  
• 力学性能：室温拉伸测试（Instron 1195）表明，AC冷却的合金#2屈服强度高于MC样品（图8c），符合Hall-Petch关系。
  

主要结果

1. 缺陷控制：模具预热至900°C以上可消除气孔和偏析（图6-7），因高温挥发残留水分并促进熔体填充。
   
2. 微观结构优化：
   
   • 合金#1通过1250°C退火获得NL组织，Al偏析区转变为块状γ相（图7b）。
     
   • 合金#2经1230°C退火和AC冷却后，层片间距从400 nm降至80 nm（图8a-b），强度提升30%。
     
3. 工艺灵活性：一体化设备支持从铸造到热处理的全程可控，避免传统工艺的氧化风险。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出真空一体化工艺，为钛铝合金的微观结构定向调控提供新方法，证实冷却速率对层片间距的影响机制。
应用价值：
- 该设备可推广至复杂结构铸件（如涡轮叶片）的工业化生产，解决传统分步工艺的效率与污染问题。

研究亮点

1. 设备创新：全球首台集熔化、浇注、热处理于一体的真空设备，突破传统工艺限制。
   
2. 工艺优化：通过精确控温与冷却速率，实现NL和FFL组织的可控制备。
   
3. 工业潜力：实验验证了Ti-48Al-2Cr-2Nb和Ti-43.2Al-8Nb合金的工业化生产可行性。
   

其他价值

• 跨学科技术整合：结合3D打印模具制备、红外测温和伺服控制，体现多学科协同创新。
  
• 数据公开性：详细公开工艺参数（表1）与设备设计（图1-5），便于同行复现与改进。
  

（报告总字数：约1500字）