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)中最具潛力的工藝之一。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鈦合金鑄件表面質(zhì)量的影響。最終確定了最佳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)高效成形的首選。

　　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、高效率、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，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)動機(jī)的第4、5級高壓壓氣機(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低廉。

　　綜上， 對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熔融鈦合金的化學(xué)穩(wěn)定性由低到高排列的順序為：SiO2、MgO、Al2O3、ZrO2、CaO、ThO2、Y2O3。因此，試驗選擇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

　　項目選擇兩種涂覆工藝進(jìn)行金屬型涂層對比試驗，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，試驗設(shè)計的等離子噴涂工藝如表2所示。項目設(shè)計了鈦合金試樣金屬鑄型，每個試樣大小為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，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)哪ス鈷伖猓治鲈嚇訒r，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為涂料在涂刷時卷吸溶解在涂料中的環(huán)境氣體未能及時完全溢出，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，成為金屬基體元素擴(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，最終導(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鈦試樣表面質(zhì)量的影響，對試樣表面污染層進(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　 舵軸鑄件熒光對比

　　圖9為兩件舵軸鑄件的熒光照片對比圖，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)最終X射線和熒光滲透檢驗，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，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）本試驗采用模具鋼4Cr5MoV1Si作為金屬鑄型，對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。