熔模鑄造中鈦合金與型殼界面的相互作用

在鈦合金鑄造中，金屬與鑄型界面相互作用是影響鑄件質(zhì)量的首要因素。熔融的鈦合金具有很高的化學(xué)活性，幾乎可以與所有的耐火材料反應(yīng)，在鑄件表面形成污染層，惡化鑄件的內(nèi)在和外觀質(zhì)量；此外，鈦鑄件的其他幾種主要缺陷也都和熔融鈦與鑄型的相互作用有關(guān)。由于氧化物陶瓷熔模型殼工藝在航空航天鈦精鑄件生產(chǎn)中的地位日趨重要，因而研究氧化物陶瓷型殼與液鈦的相互作用具有重要的實(shí)際意義。但是，文獻(xiàn)報(bào)告中，直接針對實(shí)際澆注條件下的真實(shí)界面所進(jìn)行的研究非常少。為此，采用氧化鋯陶瓷熔模型殼工藝實(shí)際澆注了渦輪機(jī)葉片鈦精鑄件，借助SEM，EPMA和顯微硬度儀等分析測試手段，對該工藝條件下的界面相互作用進(jìn)行了研究。
1.試驗(yàn)材料與方法
通過實(shí)際澆注制取了鈦和型殼真實(shí)鑄造界面。粘結(jié)劑的研制是鈦合金熔模精鑄的最大難點(diǎn)。目前國內(nèi)外少數(shù)單位把握的為鋯溶膠類粘結(jié)劑，固然對鈦液具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，但必須用昂貴的有毒金屬有機(jī)化合物脫蠟，不能用水脫蠟。而我們獨(dú)立開發(fā)的新型鈦合金精鑄用粘結(jié)劑LJ-8型不但具有較鋯溶膠更高的化學(xué)穩(wěn)定性，而且可以用熱水或蒸汽脫蠟，從而率先解決了困擾國內(nèi)外鈦精鑄界多年的困難。采用此種粘結(jié)劑和ZrO2(CaO),即氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷粉作耐火材料，制備了熔模型殼。具體的涂料和制殼工藝見文獻(xiàn)［6］。熔煉采用從德國ALD公司引進(jìn)的先進(jìn)的水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐，在100 Pa的真空度下進(jìn)行。本試驗(yàn)選用材質(zhì)為純鈦，在重力下澆注。型殼澆注溫度為室溫，鈦液澆注溫度為1 840 ℃，相對純鈦熔點(diǎn)，其過熱度約為150 ℃。待鑄件隨爐自然冷卻后，打壞型殼并制取試樣，然后借助SEM，EPMA和顯微硬度儀等分析測試手段，分別對型殼和鑄件的表面和截面進(jìn)行觀察與分析。
2.試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1　鈦液對型殼的影響
借助掃描電子顯微鏡對澆鑄后型殼的斷面和內(nèi)表面分別進(jìn)行了觀察。從圖1a所示的型殼斷面形貌可以看出，澆鑄后的型殼內(nèi)表面產(chǎn)生了一個(gè)厚度大約為200 μm的剝離層。這是由于型殼內(nèi)表面在澆注時(shí)承受鈦液的熱沖擊而產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)造成的。澆注及凝固過程中因溫度升高而引起的型殼線膨脹可用下式求得：
ΔL=L.αTΔT
式中　L——型殼的線度
ΔL——型殼的線膨脹
αT——型殼面層的線膨脹系數(shù)，是溫度的單調(diào)上升函數(shù)ΔT——型殼的溫度升高a. 型殼斷面　 b. 型殼內(nèi)表面
鈦液流進(jìn)型腔后在型殼表面以極大的冷卻速度凝固，根據(jù)丈量，薄壁處的凝固時(shí)間可短至數(shù)秒鐘。同時(shí)，由于ZrO2(CaO)的導(dǎo)熱系數(shù)較低，鈦液凝固放出的大量潛熱難以在這么短的時(shí)間內(nèi)傳遞到型殼內(nèi)部，于是全部被型殼表面的一個(gè)薄層吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)樗臏囟壬擀。正是由于型殼表面的這一薄層的ΔT遠(yuǎn)大于型殼內(nèi)部，所以使得其線膨脹量ΔL遠(yuǎn)大于型殼內(nèi)部，因而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致它從型殼內(nèi)表面上剝離下來。

(1)型殼內(nèi)表面由于鈦液的熱沖擊作用而產(chǎn)生了一個(gè)約200 μm厚的剝離層，鑄件表面則由于型殼中的鋯、氧等元素的熱擴(kuò)散面產(chǎn)生了一個(gè)30 μm的表面污染層。
(2)鈦與型殼界面相互作用是十分復(fù)雜的，其中既有鈦液對型殼的沖蝕、滲透和熱沖擊等機(jī)械作用，又有鈦與型殼成分間的熱擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)作用，而且機(jī)械作用與物理化學(xué)作用是相互交織在一起的。
(3)鈦與型殼界面的反應(yīng)是Zr,O向鈦基體內(nèi)的熱擴(kuò)散為主導(dǎo)的，受Zr,O元素的擴(kuò)散行為控制。而且界面反應(yīng)也并非是均衡發(fā)展的，而是根據(jù)與型殼表面的接觸狀態(tài)的不同呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。