前言
鈦合金是一種引人注目的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。例如，航空工業(yè)中，巡航導(dǎo)彈的封頭、公共底；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的固定殼體；衛(wèi)星紅外監(jiān)控器的支架、底座等。在化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、造船工業(yè)、紡織、造紙、醫(yī)療以及體育器材等方面，鈦合金也有廣泛的應(yīng)用，且其用量在日益增加。如鈦合金假牙、人工關(guān)節(jié)、高爾夫球頭以及眼鏡框等［1，2］。
鈦合金鑄件更有其獨(dú)特的優(yōu)越性，特別是熔模精密鑄件，形狀可任意復(fù)雜，可近無余量甚至無余量整體成形，尺寸小到1 mm，大到上千毫米，大大增加了零件設(shè)計(jì)的自由度。因此發(fā)展鈦合金鑄造技術(shù)有著重要的實(shí)際意義［3～12］。但是，鈦是一種極為活潑的化學(xué)元素［13］，與N、C、O有很大的親合力，很少量的這類原子即可降低鈦合金的延展性。目前的研究表明，液鈦幾乎與所有造型材料均有不同程度的化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)可增大鈦鑄件的脆性，增大富氧層厚度和α脆性層厚度，而這些缺陷嚴(yán)重影響了鈦鑄件的力學(xué)性能，給鈦合金的鑄造帶來了較大的困難。尋求與液鈦反應(yīng)弱的新的造型材料是鈦合金鑄造工作者一直努力的方向，這種造型材料既可用于型殼制造，又可用于制造熔煉鈦合金的坩堝，而這其中潛在的巨大的經(jīng)濟(jì)效益使得一些成果都申報(bào)了專利而未公開發(fā)表。本文就鈦合金鑄造中的造型材料、粘結(jié)劑和制殼工藝作一些初步探討。
1 造型材料
用于鈦合金鑄造的造型材料應(yīng)滿足以下基本要求：1）與熔融鈦合金接觸不發(fā)生反應(yīng)，具有較高的化學(xué)惰性；2）在熔融鈦合金的高溫作用下不軟塌、不碎裂，具有較高的耐火度和抗熱沖擊性能；3）在造型、搬運(yùn)和裝爐時(shí)不變形、不破碎，有足夠的強(qiáng)度；4）對(duì)水分、氣體的吸附能力小；5）導(dǎo)熱性低，以減少鑄件激冷所引起的缺陷。
目前所使用的造型材料部分地滿足了上述要求，大體可分為以下四大類：碳質(zhì)耐火材料、氧化物陶瓷材料、金屬材料及其它材料。
1.1 碳質(zhì)耐火材料
用于鈦合金鑄造的碳質(zhì)耐火材料主要是指人造石墨［14，15］，而不是天然石墨，天然石墨強(qiáng)度不高，具有各向異性，且含有很多的雜質(zhì)，不適于在鑄鈦生產(chǎn)中使用。人造石墨是以石油焦和瀝青為主要原料，在2600℃～3000℃高溫下煅燒而成的。人造石墨在真空下耐火度高，熱膨脹系數(shù)小，強(qiáng)度隨溫度升高而有所提高，對(duì)熔融鈦合金有一定的惰性，石墨與液鈦在較低溫度下反應(yīng)很弱，只在鑄件表面發(fā)生輕微的滲碳現(xiàn)象，形成滲碳層。但在條件惡劣的情況下，如鑄型預(yù)熱溫度過高，或液鈦包圍的型芯，則所受到的熱量達(dá)到反應(yīng)激活能時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)而生成TiC，石墨對(duì)鈦合金液的潤(rùn)濕性很大，隨著溫度升高潤(rùn)濕角趨向于零，加之石墨熱導(dǎo)率高，因而在用石墨型澆注鈦時(shí)，鈦液流經(jīng)的表面會(huì)很快形成一個(gè)凝固的鈦殼，容易產(chǎn)生流痕和冷隔缺陷。選用石墨加工型的鈦合金鑄件應(yīng)當(dāng)具有10 mm以上的壁厚。
1.2 氧化物陶瓷材料
氧化物陶瓷材料是鈦合金精密鑄造所采用的重要材料。工業(yè)上常用的氧化物陶瓷有：SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3和ThO2，它們與鈦液反應(yīng)能力依次減弱［16］。其中SiO2與Ti的反應(yīng)最為強(qiáng)烈，因?yàn)?/div>
SiO2+Ti→TiO2+Si ΔG＜0
從熱力學(xué)上分析反應(yīng)可以進(jìn)行。在鑄鈦發(fā)展初期，有人力圖用SiO2作為耐火材料的一些嘗試都失敗了。
MgO+Ti→TiO+Mg
在1 350℃以上ΔG＜0，雖然TiO與MgO的生成自由焓相差不大，但是Mg在真空下蒸氣壓比較大，能很快地?fù)]發(fā)出去，促成反應(yīng)向右進(jìn)行的很快，另外，生成的TiO也容易溶于液鈦中，加速了反應(yīng)的進(jìn)行。
3Ti+2Al2O3→4Al+3TiO2
此反應(yīng)從熱力學(xué)上分析不能進(jìn)行，但考慮動(dòng)力學(xué)因素此反應(yīng)進(jìn)行得較為猛烈，因?yàn)锳l的熔點(diǎn)較低為667℃，在鈦的熔點(diǎn)1 668℃附近，Al揮發(fā)速度較大，因此耐火度較高的電熔剛玉也不適用于作為澆注鈦鑄件的造型材料。
CaO與鈦的交互作用基本類似于MgO。理論上CaO在2 200℃才開始被鈦還原，但實(shí)際上在真空下1700℃就開始還原了，這與反應(yīng)產(chǎn)物Ca易于揮發(fā)及TiO的溶解有關(guān)，但Ti與CaO的反應(yīng)比與MgO的弱，因此有人用CaO粉與CaO粘結(jié)劑做制殼材料，并澆注了表面質(zhì)量良好的鈦鑄件。但CaO吸濕性很強(qiáng)，在實(shí)際造型工藝上存在較多困難。ZrO2是一種較穩(wěn)定的氧化物，有較高的熔點(diǎn)（2 677℃），耐火度也高達(dá)2 500℃。ZrO2的生成自由焓大于TiO2而小于TiO，介于二者之間，因此以下反應(yīng)是可以進(jìn)行的：
Beber B.等人將Zr金屬粉與TiO2的混合物及Ti金屬粉與ZrO2的混合物分別壓制成試塊，一起在真空下進(jìn)行燒結(jié)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種試塊的燒結(jié)產(chǎn)物都是由Ti和ZrO組成，這說明Zr能還原TiO2，生成Ti和ZrO。而Ti只能部分地將ZrO2還原成低價(jià)的ZrO。可以認(rèn)為ZrO具有比TiO更大的穩(wěn)定性。在鈦合金鑄造中液鈦與ZrO2相互作用時(shí)，Ti將ZrO2還原成ZrO。熱力學(xué)數(shù)據(jù)表明，對(duì)液鈦來說ThO2是最穩(wěn)定的耐火氧化物，釷在高溫下的蒸氣壓很低，不會(huì)產(chǎn)生類似于MgO的由于反應(yīng)產(chǎn)物易于揮發(fā)而加劇反應(yīng)過程的現(xiàn)象。但實(shí)際中熔融鈦與ThO2的反應(yīng)仍比較顯著，原因之一可能是ThO2與液鈦的潤(rùn)濕性大，ThO2作為雜質(zhì)易于夾雜在液鈦中，致使?jié)沧⒊鰜淼蔫T件表面脆化。此外，ThO2是一種放射性材料，工業(yè)生產(chǎn)中不宜使用［17～20］。
R.L.Saha等人對(duì)一些稀土氧化物也做了大量的研究［21～23］，這些氧化物包括：CeO、ZrO2、Gd2O3、Nd2O3.Pr2O3、Sm2O3、Nd2O3、Y2O3等。ZrO2作為對(duì)比物也被列入研究范圍，實(shí)際結(jié)果表明，上述物質(zhì)對(duì)鈦的化學(xué)穩(wěn)定性依次增強(qiáng)。R.L.Saha等人不但考慮了各物質(zhì)的生成自由焓，還考慮到了金屬元素和氧元素在鈦液中的溶解度和擴(kuò)散速率等因素，總體看來，稀土氧化物在對(duì)液鈦的化學(xué)穩(wěn)定性方面有較大的優(yōu)勢(shì)。這其中最穩(wěn)定的當(dāng)數(shù)Y2O3，Y2O3的熔點(diǎn)為2 410℃，在1 355℃時(shí)，釔在鈦中的最大固溶度僅為3.7(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。此類稀土氧化物價(jià)格昂貴，只能在少量鈦鑄件上使用。戴介泉等人還開發(fā)了一種名為HREMO的新型耐火材料［24］，是一種含Y2O3 60％以上的混合重稀土氧化物，主要成分還包括Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3等，該材料較純Y2O3廉價(jià)了許多，是一種較為理想的鑄鈦耐火材料。
1.3 金屬材料
在鈦合金鑄造領(lǐng)域中，金屬模也占有一定的地位，用作鑄型的金屬材料主要有銅、鋼、鑄鐵等，與石墨加工型一起統(tǒng)稱為硬模系統(tǒng)。由于存在著工藝上的分型等難點(diǎn)，這種方法很難制造出復(fù)雜形狀的鈦鑄件，而大多只在特定的鑄件上使用。鑄鐵型價(jià)格便宜，澆注出的鈦鑄件表面質(zhì)量良好，但鑄鐵模在使用中易撓曲變形，甚至破裂，壽命不如鋼或銅模。若在金屬模內(nèi)噴涂涂料，壽命還可延長(zhǎng)，此類鑄件的粗糙度稍低于石墨加工型。
另一類金屬材料即W、Mo、Ta、Nb等難熔金屬粉，用于鈦合金熔模精鑄的面層涂料，是美國(guó)Rem公司發(fā)展起來的。目前，常用的方法是鎢面層熔模精鑄方法。由于鎢粉的熔點(diǎn)高，蒸氣壓低，在澆注鈦的過程中不會(huì)與液鈦發(fā)生劇烈反應(yīng)，具有相當(dāng)高的化學(xué)穩(wěn)定性，但鑄件表面會(huì)粘結(jié)一部分難熔金屬粉，需進(jìn)行堿洗處理。金屬面層的導(dǎo)熱性也很高，鑄件易出現(xiàn)冷隔缺陷，此類鑄件表面粗糙度Ra為6，尺寸精度可達(dá)鑄鋼件水平。
1.4 其它材料
前人對(duì)一些碳化物、硼化物、硅化物和硫化物也作了大量研究［25,26］。典型的物質(zhì)包括：TiC、ZrC、Cr3C2、TiB2、MoB2、CrB2、TaB2、MoSi2、CeS。試驗(yàn)方法是將一定粒度分布的上述陶瓷粉壓制成小塊，將金屬鈦粒置于其上，在真空下共同加熱并同時(shí)觀察、記錄出現(xiàn)液相時(shí)的溫度，保溫一段時(shí)間后，快速冷卻。對(duì)鈦界面進(jìn)行測(cè)試分析，其結(jié)果如表1所示。
表1 幾種耐火材料與鈦的反應(yīng)結(jié)果
|
陶瓷材料 |
出現(xiàn)液相時(shí)的 |
保溫時(shí)間 |
元素?cái)U(kuò)散 |
|
TiC |
1 670 |
4 |
0.121 |
|
ZrC |
1 545 |
10 |
0.387 |
|
Cr3C2 |
1 515 |
3 |
0.566 |
|
TiB2 |
1 550 |
3 |
0.191 |
|
MoB2 |
1 500 |
4 |
0.184 |
|
CrB2 |
1 500 |
4 |
0.133 |
|
TaB2 |
1 630 |
1 |
0.141 |
|
MoSi |
1 425 |
3 |
0.458 |
|
CeS |
1 660 |
10 |
0.025 |
非氧系的陶瓷材料中，硼化物和硅化物對(duì)鈦的反應(yīng)較強(qiáng)烈，一般在1 500℃左右就能形成共晶液相，并能鋪展在陶瓷片上，表明該液相與陶瓷的潤(rùn)濕性極好。因而此類材料不宜做鑄鈦的造型材料。部分碳化物(ZrC，Cr3C2)也與鈦形成低熔點(diǎn)的共晶相。只有TiC和CeS表現(xiàn)出與鈦的弱反應(yīng)性。組成陶瓷的任一組元若能與鈦形成低熔點(diǎn)相，那么該陶瓷就不可避免地會(huì)與液鈦發(fā)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)。
2 粘結(jié)劑
粘結(jié)劑是鈦合金鑄造工藝中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，必須滿足能夠粘結(jié)耐火材料的使用要求。同時(shí)，焙燒后的產(chǎn)物應(yīng)對(duì)液鈦有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。在石墨搗實(shí)型中常用的粘結(jié)劑是酚醛樹脂、合脂和淀粉等，屬于有機(jī)類，焙燒后有一些殘留的碳。熔模精鑄中常用的粘結(jié)劑有水玻璃、硅溶膠和硅酸乙酯［27］，但它們都不宜做鈦合金熔模精鑄的粘結(jié)劑，因?yàn)檫@三種粘結(jié)劑焙燒后的產(chǎn)物均含有SiO2，而SiO2是與液鈦反應(yīng)最為強(qiáng)烈的材料。但也有人用水玻璃鋯砂造型澆出了鈦鑄件［28，29］，質(zhì)量很差。鋯溶膠、二醋酸鋯［30］，以及鋯的有機(jī)化合物是目前鈦合金熔模精鑄中常用的粘結(jié)劑，一定程度上滿足了使用要求。該類粘結(jié)劑焙燒后的產(chǎn)物是ZrO2，相當(dāng)于ZrO2耐火材料，但在型殼強(qiáng)度，脫蠟及與液鈦反應(yīng)方面還存在一些問題。
從實(shí)際制得鑄件的質(zhì)量來看，國(guó)內(nèi)北京航空材料研究所研制的Gu—1、Gu—3型粘結(jié)劑［31］，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的LJ—8型粘結(jié)劑［32］均可制備出表面質(zhì)量良好的薄壁鈦合金鑄件。值得一提的是，目前所用的大多數(shù)粘結(jié)劑還不能完全適合鈦合金鑄造，它們的焙燒產(chǎn)物大多與耐火材料的成分相同，與鈦的反應(yīng)依然存在。粘結(jié)劑的研制始終滯后于耐火材料的研制，因此，同開發(fā)新型耐火材料一樣，粘結(jié)劑也需進(jìn)一步的開發(fā)。
3 典型鑄造工藝
3.1 石墨搗實(shí)型是類似于普通砂型的鑄造工藝［33］，只是采用了高純?nèi)嗽焓圩餍蜕埃凑辰Y(jié)劑的特性可將其分為三類［16］，如表2所示。
表2 幾種典型的鑄鈦石墨型砂
|
種類 |
成分 |
配比 |
稀釋劑 |
|
多組元粘結(jié)劑 |
石墨粉 |
6.34％ |
6.2％水 |
|
單組元粘結(jié)劑 |
a 石墨粉 |
|
酒精 |
|
b 石墨粉 |
|
煤油 |
|
|
水溶性粘結(jié)劑 |
石墨粉 |
100份 |
10份水 |
多組元粘結(jié)劑石墨混合料，是美國(guó)最早研制的，混料時(shí)先將石墨、淀粉、瀝青一起干混，然后加水、碳質(zhì)水泥、表面活性劑一起濕混，搗實(shí)成型后鑄型在空氣中干燥8 h～168 h，也可在120℃干燥6 h～48 h；鑄型經(jīng)900℃～1000℃高溫焙燒后，瀝青完全碳化，焙燒需在還原氣氛下或埋在石墨粉中進(jìn)行，以防石墨氧化。采用樹脂或合脂作粘結(jié)劑的鑄型，造型工藝與上述基本相同，混料時(shí)合脂需加熱至100℃～130℃，使其粘度降低，保證混料均勻。石墨搗實(shí)型通常采用的石墨粉的粒度為30目～80目，為提高鑄件表面質(zhì)量，可采用細(xì)的石墨面砂60目～100目，粗的背砂12目～80目，以保證鑄型的透氣性。
3.2 熔模型殼
3.2.1 石墨熔模型殼在鈦合金熔模精鑄工藝中，石墨型殼應(yīng)用比較早，采用的耐火材料是石墨，粘結(jié)劑也是碳質(zhì)的，通常是樹脂或膠體石墨。表3列出了兩種典型的石墨熔模型殼工藝的涂料。
表3 兩種典型的石墨熔模型殼工藝的涂料
|
方法 |
組元名稱 |
質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％ |
|
美國(guó) |
粘結(jié)劑：膠體石墨水溶液 |
2.77 |
|
蘇聯(lián) |
粘結(jié)劑：酚醛樹脂 |
27 |
石墨撒砂粒度為：面層和鄰面層35目～150目，背層8目～35目；型殼一般涂掛8層～9層，厚度約為10 mm左右；型殼預(yù)熱溫度不宜過高，一般為400℃左右，否則型殼與液鈦會(huì)發(fā)生反應(yīng)。前蘇聯(lián)的石墨型殼系統(tǒng)在面層涂料中添加了一定數(shù)量的鈦粉和鋯粉，經(jīng)高溫焙燒后在型殼內(nèi)壁形成TiC和ZrC，從而改善了型殼內(nèi)表面對(duì)鈦液的潤(rùn)濕性能。這種型殼可預(yù)熱到700℃左右，且強(qiáng)度有所提高。石墨熔模型殼的缺點(diǎn)是，澆出的鈦鑄件表面存在較厚的α脆性層，需用噴砂，酸洗等方法處理，由于澆注時(shí)鑄件各部位受熱條件不一樣，所以α層也不均勻，清除不徹底，會(huì)影響鑄件性能，清除過多，又難以保證鑄件精度。
3.2.2 鎢面層陶瓷型殼
鎢面層陶瓷型殼是美國(guó)Rem公司發(fā)展起來的一種型殼系統(tǒng)，表4是鎢面層陶瓷型殼的典型涂料配方。該工藝的特點(diǎn)是采用金屬有機(jī)化合物，鋯、鉿的鹵化物或膠體金屬氧化物作粘結(jié)劑，以金屬鎢粉作面層耐火材料。
表4 鎢面層陶瓷型殼的典型涂料 ％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
|
材料 |
面層涂料 |
第二層涂料 |
第三層及以后 |
|
鋯、鉿有機(jī)化合物 |
18.15 |
－ |
－ |
|
偏鎢酸銨抑制劑， |
18.15 |
－ |
－ |
|
鋯英粉(325目) |
51.4 |
－ |
－ |
|
硅酸乙酯水解液 |
－ |
23.0 |
25.0 |
|
熔融過的氧化鋯粉 |
－ |
77.0 |
0 |
|
硅酸鋁粉(325目) |
－ |
－ |
50.0 |
|
硅酸鋁顆粒 |
－ |
－ |
25.0 |
|
三氧化鎢抑制劑 |
12.3 |
－ |
－ |
|
撒砂 |
鎢粉 |
ZrO2砂 |
氧化鋁砂 |
為保證良好的涂掛性，需將蠟?zāi)＝M放在清洗液中清洗，清洗液由20％酒精、40％三氯氟甲烷、40％四氯代乙烯組成。脫蠟亦采用四氯代乙烯熔劑。脫蠟后的型殼在260℃～310℃下烘烤2 h～6 h，以除去揮發(fā)物，然后在非氧化性氣氛或真空下以260℃／h的升溫速率焙燒到1 177℃保溫1 h～6 h。這樣粘結(jié)劑便完全轉(zhuǎn)變成金屬氧化物，而抑制劑能抑制金屬粉與背層氧化物的反應(yīng)，保證面層的金屬粉燒結(jié)成一層結(jié)合力較強(qiáng)的型殼，型殼的預(yù)熱溫度可以達(dá)到1 100℃。采用此工藝，鑄件表面粗糙度低，內(nèi)部質(zhì)量高，鈦鑄件精度可達(dá)鑄鋼件水平。缺點(diǎn)是金屬面層導(dǎo)熱性高，鑄件易出現(xiàn)冷隔缺陷，應(yīng)采用離心底注方式；另外原材料價(jià)格昂貴。
3.2.3 氧化物陶瓷型殼
氧化物陶瓷型殼是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的一種先進(jìn)工藝，面層耐火材料為ThO2、ZrO2或Y2O3等難熔金屬氧化物，粘結(jié)劑用難熔金屬氧化物膠體或金屬有機(jī)化合物。粘結(jié)劑是制造此類型殼的關(guān)鍵。此類型殼具有較高的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，有較小的收縮率，能保證所澆的鈦鑄件具有較高的尺寸精度和低的表面粗糙度。可澆注大型鈦鑄件，復(fù)雜鈦鑄件和薄壁鈦鑄件。氧化物陶瓷型殼是一種很有前途的型殼，有取代石墨型殼和鎢面層陶瓷型殼的趨勢(shì)。表5是一種典型的氧化物陶瓷型殼涂料的工藝配方［32］。
表5 氧化物陶瓷型殼的涂料
|
材料 |
一～四層 |
五～八層 |
|
LJ—8型粘結(jié)劑 |
22.4 |
－ |
|
ZrO2(CaO穩(wěn)定) |
77.6 |
－ |
|
硅酸乙酯水解液 |
－ |
32 |
|
煤干石粉(320目) |
－ |
68 |
|
潤(rùn)濕劑JFC |
0.003 |
0.003 |
|
消泡劑辛醇 |
0.003 |
0.003 |
|
撒砂 |
面層：ZrO2(CaO穩(wěn)定) |
石英砂 |
4 結(jié)論
鈦合金鑄造中所使用的造型材料與其它合金有很大區(qū)別，目前這方面的研究還不夠完善；鈦合金熔模精鑄在背層制備工藝上雖與其它合金的制殼工藝基本相同，但其面層制備工藝則具有鮮明的特點(diǎn)及獨(dú)有的難點(diǎn)，在造型材料和粘結(jié)劑方面有其特殊的工藝參數(shù)要求。完善鈦合金鑄造的型殼系統(tǒng)還需鑄造工作者的進(jìn)一步努力。
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TA9鈦合金耐腐蝕性能和比熱容分析
TA9鈦合金在航空、化工和海洋工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，尤其因其優(yōu)異的耐腐蝕性能和適中的比熱容而備受關(guān)注。本文將從耐腐蝕性能和比熱
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