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引言 由于钛及其合金的加工难度大，初期应用的

2013-07-21 01:02

引言
　　
　　由于钛及其合金的加工难度大，初期应用的钛制品都是锻造加工件，加工余量大，金属利用率低，生产成本高，极大地限制了它的应用范围。为了改变这种状态，世界上几个工业发达，从20 世纪60 年代初开始研究钛和钛合金的铸造技术，尤其是钛和钛合金的熔模精密铸造技术[1-8]。
　　熔模精密铸造工艺可铸出形状复杂、表面光洁的钛合金精密铸件并在航空航天工业及其他精密机械工业中已获得广泛的应用。现在不但可以生产中小型钛合金铸件，而且还能铸造大型整体薄壁铸件，具有明显的技术经济优势。由于钛和钛合金的高化学活性，要与空气中的氢、氧和氮发生剧烈化学反应，要与常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造技术，特别是熔模精铸技术比铝和钢难度大得多，需要借助于高科技手段才能实现。到目前为止，世界上掌握钛合金铸造技术的，只有美国、德国、中国、日本和前苏联等少数国家[1-7]。
　　目前普遍使用的型壳材料是氧化钇、氧化锆和锆溶胶、钇溶胶等材料，采用这些材料制备的钛合金铸件表面质量优良，但生产工艺复杂，生产成本昂贵。因此，寻找一种廉价的、与钛合金熔体反应较小的型壳材料，并且生产工艺简单的熔模精密铸造工艺是进一步降低钛合金熔模精密铸造工艺成本的重要途径之一。
　　
　　1 实验材料与实验方法
　　
　　1.1 材料的选择
　　本文选取了3 种典型钛合金进行合金的浇注：BT20(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金， TC4合金，TA2 合金。这3 种合金的名义化学成分见表1。
　　本实验所选取的蜡料是WM114 蜡料，熔点70～80 ℃，使用温度50～60 ℃，收缩率为0.6％～0.8 ％，灰分较少。氧化物陶瓷型壳材料选择ZrO2 以及低成本的刚玉作为相互比较的型壳材料，与上述3 种钛合金组合进行实验。

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　　1.2 实验方法
　　采用自制的模具进行蜡模的制备，蜡模尺寸为φ8 mm×40 mm所示。
　　熔炼所用的原材料为φ25 mm 的棒材，制成φ25 mm×14 mm 的合金块，质量约30 g。合金的熔炼采用LZ5 型离心铸钛机。由于LZ5 型离心铸钛机需要型壳具有固定的形状与尺寸，因此在背层型壳涂挂到一定厚度时用自制包埋料进行包埋，脱蜡焙烧后进行浇注。为焙烧后的型壳及浇注出的试样。表2 为熔炼的工艺参数。
　　采用电火花线切割制备试样。用来观察显微组织的试样用金相砂纸从200#磨到1200#，抛光液为三氧化二铬水溶液，腐蚀液为8% HF+15% HNO3+77% H2O(摩尔分数)。利用光学显微镜、扫描电子显微镜分别对试样进行显微组织观察和线扫描分析。
　　
　　2 实验结果及讨论
　　
　　2.1 显微组织观察
　　是TA2 合金试样中部金相显微组织照片。由图可见：无论是以Al2O3 还是ZrO2 为型壳材料，TA2 合金的组织都以针状α 组织为主，未发现明显β 组织，2 种型壳材料得到的合金中央组织都比较细小；但相比较之下，以ZrO2 为型壳材料的合金组织要稍好一些，它的组织要更为细小，以Al2O3 为型壳材料的合金组织中有明显的粗晶。
　　为TC4 合金试样中部金相显微组织照片。以Al2O3 为型壳材料的合金组织要比ZrO2为型壳材料的合金组织明显粗大许多。由于TC4 合金中含有一定数量的β 相稳定元素V，从粉料为ZrO2 的金相照片中可以看到，组织中α 相和β 相相混合，其中片状α 相的取向多，群体数目多，组织细小，说明其组织为篮网状魏氏组织。之所以形成魏氏组织，主要是合金从β 相区冷却时，由于β→α 转变温度高，相应的α 相的长大速度快但生核速度较低，大多数在原始β 晶界开始生核并沿晶界生长，形成晶界α。随后α 相由晶界向晶内呈集束状扩展，直到相互接触为止。由于浇铸的试样比较小，合金冷却速度快，α 相不仅在晶界生核，同时在β 晶粒内也可以独立生核，使α 群体数目增多，组织细化，形成篮网状魏氏组织。在粉料为Al2O3 的TC4 合金中，发现组织主要为α 组织，伴随有少许的初生β 相粗晶，这与合金的冷却速度不够快，α 相未能及时形核有关。