摘要

金屬型工藝因具有模具加工污染小、可多次反復(fù)使用、生產(chǎn)效率高、批量生產(chǎn)時(shí)鑄件成本低，以及鑄件尺寸穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是鈦合金鑄件生產(chǎn)中*潛力的工藝之一。然而，金屬型工藝的激冷作用較強(qiáng)，導(dǎo)致成形的鈦合金鑄件表面含有冷隔、流痕等缺陷，且金屬型工藝的使用壽命較短，限制了該工藝的廣泛應(yīng)用。經(jīng)研究表明，在鑄型內(nèi)腔涂敷一層涂層可以有效地解決上述問題。基于此，本文結(jié)合鈦合金用金屬型鑄型材料的界面導(dǎo)熱特性，研究了涂層制備工藝及其對(duì)鈦合金鑄件表面質(zhì)量的影響。*終確定了*的鈦合金金屬型鑄造工藝，顯著地提高了鈦合金鑄件的批量生產(chǎn)。

鈦合金因具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低密度、良好的生物相容性、優(yōu)異的耐腐蝕性能和斷裂韌性等綜合性能，被廣泛用于航空航天、石油化工、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。精密鑄造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次近凈成形，是鈦合金經(jīng)濟(jì)*成形的*。

但在實(shí)際鑄造過程中，由于鈦合金在高溫熔融狀態(tài)下具有高化學(xué)活性的特點(diǎn)，因此鈦合金對(duì)鑄型材料提出了較高的要求。目前，常用的鈦合金鑄型材料主要包括石墨和氧化釔等稀土氧化物材料，上述鑄型材料近年來成本持續(xù)上漲，造型成本已占到鑄件成本的30%以上，導(dǎo)致鑄件成本長期居高不下。石墨型在澆注過程中容易損壞，使用壽命普遍較短，不利于鈦鑄件的批量生產(chǎn)；熔模陶瓷型工藝過程復(fù)雜，涉及模具設(shè)計(jì)和型殼多層涂掛、干燥與焙燒，一定程度上增加了鈦鑄件的生產(chǎn)周期。因此，如何針對(duì)不同鑄件選擇合適的工藝方法和鑄型材料成為鈦合金鑄造高質(zhì)量、低成本、*率、批量生產(chǎn)的關(guān)鍵。

金屬型工藝由于具有模具加工簡單、加工污染小、模具可多次反復(fù)使用、生產(chǎn)效率高、批量生產(chǎn)時(shí)鑄件成本低和鑄件尺寸穩(wěn)定、精度高等特點(diǎn)，在非復(fù)雜鈦合金產(chǎn)品領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。美國普惠公司實(shí)踐研究表明，當(dāng)鈦合金采用金屬型工藝進(jìn)行澆注成形時(shí)，與熔模陶瓷型工藝相比，成本降低約40%，鑄件的綜合力學(xué)性能更為優(yōu)異，目前已應(yīng)用金屬型鑄造技術(shù)制造了F119發(fā)動(dòng)機(jī)的第4、5級(jí)高壓壓氣機(jī)阻燃鈦合金導(dǎo)流葉片。美國EMTEC所開展了鈦合金排氣閥的金屬型鑄造工藝研究，分別采用金屬型和陶瓷型澆注了試樣，金屬型澆注的試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均相對(duì)較好。但金屬型工藝鑄型具有復(fù)雜度低，鑄件表面易產(chǎn)生流痕和冷隔、α脆性層等缺陷，厚大鈦鑄件易與鑄型發(fā)生熔焊粘結(jié)，鑄型的使用壽命低等特點(diǎn)，極大限制了其廣泛使用。

為了提高金屬型的使用壽命及消除因金屬型的激冷作用導(dǎo)致的鈦鑄件表面的冷隔、流痕和激冷層等缺陷，本文從金屬型的涂層工藝設(shè)計(jì)與鑄件表面質(zhì)量分析等方面開展研究，為鈦合金鑄造高質(zhì)量低成本批量生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1、試驗(yàn)材料及方法

1.1　金屬鑄型材料選擇

目前可用于鑄型材料的金屬主要包括鑄鐵、鑄鋼、鑄銅以及部分難熔金屬，其主要物理性能見表1。

表1　幾種金屬材料的主要物理性能

適用于鈦合金的金屬型鑄型材料應(yīng)滿足幾方面的要求。

（1）具有較高的熔點(diǎn)：鈦合金熔點(diǎn)高，為避免在凝固過程中鑄型熔化變形，致使鑄型與鈦鑄件發(fā)生粘結(jié)。因此，鑄型材料需具有較高的熔點(diǎn)。

（2）具有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱能力：鑄型導(dǎo)熱能力強(qiáng)有利于提高鈦液冷卻能力，可顯著細(xì)化鈦鑄件內(nèi)部組織，提高鈦鑄件的力學(xué)性能，但過高的導(dǎo)熱能力不利于鈦液充型，易產(chǎn)生冷隔、流痕、微裂紋等缺陷。因此，金屬鑄型的導(dǎo)熱能力要適中。

（3）具有較高的硬度、室（高）溫強(qiáng)度、良好的機(jī)械加工及補(bǔ)焊性能，抗熱疲勞性能好、在反復(fù)冷熱循環(huán)下的尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

（4）鑄型材料成本及造價(jià)低廉。

綜上， 對(duì)比金屬材料的物理性能， 并綜合考慮成本因素，選擇鑄鋼作為鑄型材料，具體材質(zhì)為4Cr5MoV1Si模具鋼。

1.2　 金屬鑄型涂層工藝選擇

基于其他金屬的金屬型鑄造實(shí)踐表明，在金屬型內(nèi)腔涂覆涂層可以有效地解決該鑄造工藝所帶來的鑄件缺陷，而鈦合金在高溫熔融狀態(tài)下具有較高的化學(xué)活性，幾乎能與所有鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)，因此在鈦合金鑄型內(nèi)腔表面涂覆一層穩(wěn)定的陶瓷涂層更顯得尤為重要。

選擇涂層材料的主要原則是：粉末材料要具有較高的耐火度、抗熱震性和良好的保溫性或良好的導(dǎo)熱性，與鈦液發(fā)生較小的界面反應(yīng)，因此，從常用的鑄鈦用耐火氧化物中選取涂層材料。難熔氧化物結(jié)合自由能與溫度關(guān)系見圖1。由圖可知，各種氧化物材料按其對(duì)熔融鈦合金的化學(xué)穩(wěn)定性由低到高排列的順序?yàn)椋篠iO2、MgO、Al2O3、ZrO2、CaO、ThO2、Y2O3。因此，試驗(yàn)選擇Y2O3作為陶瓷涂層材料。

圖1各種氧化物結(jié)合自由能與溫度的關(guān)系

項(xiàng)目選擇兩種涂覆工藝進(jìn)行金屬型涂層對(duì)比試驗(yàn)，分別是人工涂刷和等離子噴涂。人工涂刷是將氧化釔粉料和粘結(jié)劑混合制成涂料，采用毛刷涂刷在鑄型表面，并經(jīng)過真空高溫焙燒，形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的涂層，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，但制備的涂層表面毛刷痕跡明顯。等離子噴涂是采用等離子噴涂機(jī)在離子電弧加熱下將氧化釔粉末以熔融狀態(tài)噴射于金屬表面形成涂層，為了增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度，在氧化釔涂層與金屬基體之間增加了Ni/Al合金粉末金屬粘結(jié)層，該工藝與人工涂刷相比較復(fù)雜，但涂層厚度易于控制，并具有較好的表面光潔度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的等離子噴涂工藝如表2所示。項(xiàng)目設(shè)計(jì)了鈦合金試樣金屬鑄型，每個(gè)試樣大小為80 mm×20 mm×20 mm，采用上述兩種制備工藝將涂層涂覆于金屬鑄型表面（圖2），涂層厚度約為0.3 mm，澆注時(shí)，采用真空自耗電極電弧凝殼熔煉爐并以離心方式（150 r/min）澆注了鈦合金試樣，鈦合金材質(zhì)為Ti-6Al-4V。

表2　等離子噴涂鑄鈦金屬型試樣工藝參數(shù)

試樣澆注后采用電火花線切割方法切取試樣，之后鑲嵌于酚醛塑料粉中并進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ス鈷伖?，分析試樣時(shí)，采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行鑄型表面和試樣表層形貌觀察，使用其自帶的EDS能譜儀進(jìn)行成分分析，并試驗(yàn)澆注了金屬鑄件。

2、金屬鑄型涂層微觀形貌分析

圖3為金屬鑄型表面不同涂層工藝的縱向金相組織形貌，圖3a為采用人工涂刷方法制備的涂層，可以看出，陶瓷層與金屬基體界限明顯，局部有分離的現(xiàn)象，這主要是由于人工涂刷制備的涂層通過物理方式結(jié)合，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，涂層陶瓷化產(chǎn)生應(yīng)力收縮，與金屬基體發(fā)生不匹配現(xiàn)象。陶瓷內(nèi)部縱向襯度變化明顯，這是由于涂料反復(fù)涂刷，涂刷方向、凝固時(shí)間及微觀固相含量不一致所導(dǎo)致。陶瓷層內(nèi)分布著孔隙和縱向微裂紋，孔隙的形成主要是因?yàn)橥苛显谕克r(shí)卷吸溶解在涂料中的環(huán)境氣體未能及時(shí)完全溢出，這些氣體留在了干燥的涂層層狀結(jié)構(gòu)中，形成了大量的孔隙，縱向微裂紋由于焙燒過程中陶瓷涂層釋放大量的熱應(yīng)力造成的。微觀孔隙和裂紋是涂層中的應(yīng)力集中區(qū)，極容易造成裂紋的產(chǎn)生并加速裂紋的擴(kuò)展，成為金屬基體元素?cái)U(kuò)散的通道，加速涂層與金屬基體受到的化學(xué)侵蝕，進(jìn)而降低涂層強(qiáng)度，加速氧化物的生長，*終導(dǎo)致涂層的失效。圖3b為采用等離子噴涂方法制備的涂層，可以看出，陶瓷層與粘結(jié)層、粘結(jié)層與金屬基體之間的界面處結(jié)合都比較好，沒有明顯的裂紋存在，涂層組織較為致密。

圖3　不同工藝金屬鑄型縱向截面金相組織

3、金屬鑄型與鈦合金界面反應(yīng)分析

為了分析涂層金屬型工藝對(duì)鈦試樣表面質(zhì)量的影響，對(duì)試樣表面污染層進(jìn)行了掃描電鏡線掃描分析，如圖4和圖5所示。由圖可知，人工涂刷涂層的金屬型澆注的鈦合金試樣表層出現(xiàn)了一定程度的Y元素和O元素的擴(kuò)散，擴(kuò)散厚度約10 μm，這主要是由于人工涂刷涂層結(jié)合性和穩(wěn)定性較差，孔隙和微觀裂紋部位易與鈦液發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致鈦液被污染。而采用等離子噴涂涂層的金屬型澆注的鈦合金試樣表面未出現(xiàn)Y元素和O元素的擴(kuò)散。上述分析表明，等離子Y2O3涂層可以較好的阻隔金屬材料與熔融鈦液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖4　人工涂刷涂層金屬型澆注的鈦合金試樣表層線掃描結(jié)果

圖5　 等離子噴涂涂層的金屬型澆注的鈦合金試樣表層線掃描結(jié)果

4、典型鈦合金鑄件試制

4.1　金屬鑄型制備

本試驗(yàn)采用上述涂層工藝澆注制備了舵軸鑄件， 金屬鑄型分成兩塊組裝而成， 主體材料選用4Cr5MoV1Si熱作模具鋼，鑒于該鑄件結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，尺寸不大，未采用鑲塊、底座和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，模具緊固采用45#鋼螺栓緊固，金屬型模具見圖6。為了增強(qiáng)金屬基底與涂料之間的結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)金屬型進(jìn)行除銹、除油處理后，吹16~24目的棕剛玉砂，吹砂時(shí)間5 min，以保證涂層和基體的良好結(jié)合。鑄造充型離心轉(zhuǎn)數(shù)為250r/min，澆注的鑄件進(jìn)行清型、切割澆冒系統(tǒng)、噴砂處理和HIP處理后進(jìn)行了質(zhì)量分析。

圖6　涂覆涂層后的金屬鑄型

圖7為澆注后的舵軸鑄件，圖8為噴砂處理后的舵軸鑄件。由圖可知，人工涂刷涂層后的金屬鑄型澆注的鑄件表面有很多流痕和“鈦豆”，表面凹凸不平，某些部位表面還有微裂紋，表面質(zhì)量較差。涂覆涂層后的金屬鑄型澆注的鑄件表面則比較光滑，鑄件表面沒有明顯的流痕和裂紋，說明涂層工藝可以明顯改善鑄件表面的光潔度。

圖7　澆注后的鑄件

圖8　噴砂狀態(tài)舵軸鑄件

圖9　 舵軸鑄件熒光對(duì)比

圖9為兩件舵軸鑄件的熒光照片對(duì)比圖，左邊是人工涂刷涂層金屬鑄型澆注的鑄件，右邊是等離子涂層金屬鑄型澆注的鑄件。由圖可知，左邊鑄件有明顯的線性缺陷，是表面的微裂紋。右邊的鑄件表面質(zhì)量則較好，沒有明顯缺陷。

研制的鑄件經(jīng)*終X射線和熒光滲透檢驗(yàn)，質(zhì)量符合產(chǎn)品技術(shù)要求，見表3，表面質(zhì)量優(yōu)于同類采用機(jī)加石墨型鑄造的鑄件。

表3　X光檢測和表面著色檢查結(jié)論

取澆注的舵軸鑄件附鑄試樣進(jìn)行力學(xué)性能和化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見表4和表5，均達(dá)到GJB2896A—2007中相關(guān)要求。

表4　試制鑄件（ZTA15）化學(xué)成分檢測結(jié)果

表5　試制鑄件（ZTA15）力學(xué)性能檢測結(jié)果

5　 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)采用模具鋼4Cr5MoV1Si作為金屬鑄型，對(duì)比分析了采用人工涂刷和等離子噴涂兩種方式制備的涂層微觀形貌，人工涂刷涂層質(zhì)量相對(duì)較差，出現(xiàn)局部分離，且內(nèi)部存在微觀孔隙和裂紋，而等離子噴涂涂層質(zhì)量較好，涂層組織較為致密，結(jié)合性好。

（2）涂覆人工涂刷涂層金屬型澆注的鈦試樣表面發(fā)生了界面反應(yīng)，涂層材料擴(kuò)散到試樣表面，并且澆注的舵軸鑄件表面粗糙度低、微裂紋嚴(yán)重；而涂覆等離子涂層金屬型澆注的鈦試樣表面幾乎沒有發(fā)生界面反應(yīng)，鑄件表面光滑平整，沒有出現(xiàn)明顯的流痕和裂紋缺陷。

（3）采用等離子涂層工藝制備金屬型較為理想，可以實(shí)現(xiàn)簡單小型鈦鑄件在批量生產(chǎn)過程中降低成本和提高表面質(zhì)量的目的。