鈦合金熔模鑄造技術_閻峰云

2024年2月4日發(作者：講歷史故事)

專題綜述REVIEW鈦合金熔模鑄造技術TheInvestmentCastingofTitaniumAlloy222閻峰云1，陳基東1，馬孝斌1，（1.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州7300502.蘭州理工大學有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，蘭州730050）摘要：鈦合金是一種昂貴的航空航天材料，熔模鑄造技術具有鑄件尺寸精度高、表面粗糙度好、提高原材料的利用率等優點，已成為鈦合金鑄造中最為常用的一種鑄造方法。本文針對鈦合金熔模鑄造技術，概述了造型材料、真空熔煉和鑄件后期處理的工藝方法以及研究進展，并指出了鈦合金鑄造的發展趨勢。關鍵詞：鈦合金，熔模鑄造，造型材料，真空熔煉中圖分類號：TG249．5;文獻標識碼：A；文章編號：1006－9658（2009）02－5Abstract:TheTitaniumalloyinvestmentcastingincludingtechnologiesandprogressinrearchonvacuummeltingandthetreatmentofcastingshavebeensummarizedwiththemoldingmaterials，ds:Titaniumalloy，investmentcasting，moldingmaterical，vacuummelting鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能好等優點，已成為一種優良的航空航天結構材料。近來年隨著國內外航天事業的飛速發展，鈦合金成形技術已經成為人們研究的熱點。熔模鑄造是鈦合金最成功、也是應用最廣泛的近凈形成形技術，它具有鑄件的表面粗糙度好、尺寸精度高等優點，可顯著提高原材料的利用率（可達75%~90%）。特別是1970年代末以來，熱等靜壓技術（HIP）廣泛應用于鈦合金鑄件，使得某些鑄造缺陷得以消除，鈦合金鑄件的力學性能及其穩定性得到了明顯改善，促使鈦合金鑄件在航空航天工業中取得了廣泛的應用。鈦及鈦合金具有很高的化學活性，在高溫下，鈦會與各種氣體及常用的耐火材料發生反應，從而使得熔體質量下降，因此在鈦合金熔模鑄造過程中（見圖1）型殼材料的選擇和熔煉工藝是鈦合金鑄造技術蠟模制作與組裝焊接修補檢測熱處理耐火材料涂層熱等靜壓尺寸檢查迄今為止，世界上只有少數國家掌握某些鈦的關鍵。合金鑄造技術[1-4]。本文綜述了國內外鈦合金熔模鑄造技術的研究現狀，為今后鈦合金鑄造技術的研究與發展提供相應的依據。1造型材料1.1粘結劑粘結劑是鈦合金熔模鑄造中型殼的重要原材料，它直接影響型殼、鑄件質量，生產周期和成本。在鑄型焙燒后，粘結劑所生成的產物，對熔融鈦應具有較高的穩定性。水玻璃、硅酸乙酯等鑄造常用粘結劑，只能用作鈦合金鑄造型殼的背層材料，對于面層，需要的是能夠在煅燒后，生成比SiO2更穩定氧化物（如Al2O3，ZrO2，CaO和Y2O3等）的粘結劑。保證型殼面層的惰性是選擇面層粘結劑的主要脫蠟及鑄型檢查噴丸處理、化學腐蝕無損檢測成品澆注真空熔煉脫模圖1收稿日期：2008－11－28文章編號：2008－150熔模鑄造工藝流程作者簡介：閻峰云（1962－），男，教授，主要從事半固態成形技術的研究原則[5]，通常鑄鈦用的粘結劑可分為碳質粘結劑和氧化物粘結劑。目前國內外鑄鈦生產中使用的碳質粘結劑主要是合成樹脂和合脂，此外還有糊精、淀粉、CFMT中國鑄造裝備與技術2／20091

專題綜述REVIEWAl2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2。現在，用作熔模鑄造型殼面層和鄰面層的材料主要是ZrO2、Y2O3、CaO，ThO2由于具有放射性已基本不用。未經穩定化處理的ZrO2不能用作鑄鈦的造型材料，因為在高溫環境中ZrO2會發生同素異形體轉變，使型殼發生開裂。為了解決這個問題，通常采取經高溫電熔或煅燒后向ZrO2中加入4%~8%的CaO，就可以得到穩定的ZrO2固溶體，工業上大多采用電熔ZrO2。Y2O3同ZrO2一樣，必須經過高溫穩定化處理后才能用作鈦合金造型材料。Y2O3陶瓷型殼具有熱導率低、強度高等優點，成為近年來國內外研究的熱點。Richerson[19]已成功研究以Y2O3為主，混以少量稀有重金屬氧化物制成陶瓷坩鍋和鑄型。戴介泉等人還開發了一種名為HREMO的新型耐火材料[20]，是一種含Y2O360%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廉價了許多，是一種較為理想的鑄鈦耐火材料。CaO具有價格低廉和與熔融鈦化學穩定性好的特點一直倍受青睞，可是其工藝性不好，容易吸潮，阻礙了它的應用。用CaCO3作為鑄型材料，鑄型經1000℃焙燒后，使CaCO3轉化為CaO，并在700~800℃下澆注鈦合金，可以有效地避免CaO的吸潮。無論是CaO或碳酸鈣用作鑄型材料，都要經過預先的除雜處理。Richerson[21]的研究以Y2O3為主，混以少量稀有重金屬氧化物制成陶瓷坩鍋和鑄型。這種方法比較成功，但是存在著工藝反復、成分復雜、高費用的缺點。LaSalle[22]介紹了采用碳酸鈣預制涂料漿制備氧化鈣面層涂料，LaSalle已使用這種型殼澆注出渦輪增壓器的轉子。1.2.3金屬材料在鈦合金鑄造領域中，金屬型也占有一定的地位，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稱為硬模系統。由于存在著工藝上的分型等難點，這種方法很難制造出復雜形狀的鈦鑄件，而大多只在特定的鑄件上使用。鑄鐵型價格便宜，澆注出的鈦鑄件表面質量良好，但鑄鐵型在使用中易撓曲變形，甚至破裂，壽命不如鋼或銅。若在金屬型內噴涂涂料，壽命還可延長，此類鑄件的粗糙度稍低于石墨加工型。另一類金屬材料即鎢、鉬、鉭、鈮等難熔金屬粉，此類材料熔點高，與熔融鈦接觸時化學穩定性好，常用于鈦合金熔模精鑄的面層涂料。目前，常用的方法CFMT瀝青和膠體石墨等。氧化物粘結劑主要有二醋酸鋯、硝酸鋯、碳酸鋯銨、硅溶膠等，其中二醋酸鋯[6]是鈦合金精鑄型殼工藝中重要的金屬有機化合物粘結劑，廣泛應用于面層涂料工藝。不論是難熔金屬面層工藝，還是惰性氧化物面層工藝，都可以用它作主要粘結劑。二醋酸鋯價格比較昂貴，因此價格低廉的硅溶膠通過技術改進后也被應用于實際生產[7-8]。從實際制得的鑄件質量來看，國內北京航空材料研究所研制的Gu-1、Gu-3型粘結劑[9]，哈爾濱工業大學研制的LJ-8型粘結劑[10]均可制備出表面質量良好的薄壁鈦合金鑄件。目前所用的大多數粘結劑還不能完全適合鈦合金鑄造，它們的焙燒產物大多與耐火材料的成分相同，與鈦的反應依然存在。粘結劑的研制始終滯后于耐火材料的研制，因此，同開發新型耐火材料一樣，粘結劑也需進一步的開發。1.2耐火材料金屬與鑄型界面相互作用是影響鑄件質量的首要因素。熔融的鈦合金具有很高的化學活性，幾乎可以與所有的耐火材料反應，在鑄件表面形成污染層，惡化鑄件的內在和外觀質量。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。因此，面層耐火材料的選擇非常關鍵。目前所使用的面層耐火材料大體可分為以下四大類：碳質耐火材料、氧化物陶瓷材料、金屬材料及其它材料[11]。1.2.1碳質耐火材料用于鈦合金鑄造的碳質耐火材料主要是指人造石墨[12]，其性能在很大程度上取決于原材料和制備工藝。人造石墨是以石油焦、炭墨、瀝青焦為主要原料，在2600~3000℃高溫下煅燒而成的。人造石墨在真空下耐火度高，熱膨脹系數小，強度隨溫度升高而有所提高，對熔融鈦合金有一定的惰性，石墨與液鈦在較低溫度下反應很弱，只在鑄件表面發生輕微的滲碳現象，形成滲碳層。但是人造石墨作為耐火材料存在一定的缺點，易氧化，必須工作于真空、還原性氣體氣氛或惰性氣體氣氛下；吸咐氣體能力強，石墨砂吸附氣體的能力是同牌號石墨塊的10倍；熱導率高，僅次于鋁、銅，易使鑄件表面出現微裂紋。美國的Howmet公司首先對熔模石墨型殼進行了研究，該公司的Lirones[13-17]先后發表了一系列專利，在專利中詳盡介紹了石墨熔模型殼的工藝和使用。1.2.2氧化物陶瓷材料目前，國際上主要使用惰性氧化物作為面層型殼材料[18]。各種氧化物材料按其對熔融鈦合金的化學穩定性由低到高排列的順序如下：SiO2、MgO、2中國鑄造裝備與技術2／2009

專題綜述REVIEW坩堝組塊坩堝組塊縫隙是鎢面層熔模精鑄方法，但生產出的鑄件表面會粘結部分難熔金屬粉，需進行堿洗處理；金屬面層的熱導性也很高，鑄件易出現冷隔缺陷。此類鑄件表面粗尺寸精度可達鑄鋼件水平[23]。糙度Ra為6，Basche[24]用鎢的化合物滲透普通的陶瓷型殼，然后在還原性氣氛下，如氫氣狀態中焙燒，將鎢的化合物還原，生成鎢和鎢的氧化物，這樣就在耐火材料表面包覆了一層鎢。這種型殼從一定程度上減少了鈦的反應1.2.4其它材料前人對一些碳化物、硼化物、硅化物和硫化物也作了大量研究[25-26]。典型的物質包括：TiC、ZrC、Cr3C2、TiB2、MoB2、CrB2、TaB2、MoSi2、CeS。部分碳化物（ZrC、Cr3C2）與鈦形成低熔點的共晶相。組成物質的任一組元若能與鈦形成低熔點相，那么該物質就不可避免地會與液鈦發生不同程度的化學反應。只有TiC和CeS表現出與鈦的弱反應性。2鈦合金的熔煉20世紀50年代開始，美國礦業部在Croll工藝熔池感應線圈凝殼出水口進水口圖3內熱式感應熔煉法示意圖屬熔體只是在表面被加熱，熱量通過熱傳導和對流傳到熔體深處。因此熔體表面溫度較高，由表面到深處存在一定的溫度梯度，導致熔池較淺。目前使用最廣泛的是自耗電極電弧爐熔煉法[33]，此種方法以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽極；熔化了的電極以液滴形式進入坩堝，形成熔池；熔池表面被電弧加熱，始終呈液態，底部和坩堝接觸的四周受到強制冷卻，產生自下而上的結晶。這種方法具有結構簡單、維持費用低、大型化容易等優點，缺點是澆注溫度難以調節和控制，金屬過熱度不高，使得熔體流動性和補縮能力較差，并且廢料難以回收。自耗電極電弧爐對電極的質量要求很高，對原料要求也較高。電子束爐、等離子弧爐要求電源功率較大，成本相對提高。另外，這些熔煉方法所造成的熔池較淺，增大熔池體積只有增大表面積，相應地增大了蒸氣壓，而導致元素的揮發損失，這對控制合金成分是不利的。為了降低成本、提高熔體質量，開發出了內熱式熔煉法，最具代表性是電磁冷坩堝熔煉法（圖4）。2.2內熱式熔煉法電磁冷坩堝技術是將分瓣的水冷銅坩堝置于交變電磁場內，利用交變電磁場產生的渦流熱熔化金屬，并依靠電磁力使金屬熔體與坩堝壁保持軟接觸或者非接觸狀態，并對爐料進行感應熔煉或者成形的技術[34]，見圖4。電磁冷坩堝技術是近幾年興起的新技術，它充分利用了電磁場和金屬相互作用的熱效應和力效應[35]。感應熔化、懸浮和攪拌的作用使電磁冷坩堝技基礎上重點開發研究了冷坩堝重熔技術，基本上滿足了熔煉鈦合金的技術要求。近年來，隨著鈦合金的發展及生產的需要，雖然出現了熔煉鈦合金的各種方法，如電子束爐、等離子弧爐、真空感應爐、磁懸浮熔煉技術等，但這所有的熔煉方法都采用真空及冷坩堝技術。冷坩堝技術工作原理為：在水冷銅坩堝中熔煉金屬時，水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層由金屬熔體重新凝固而產生的固體殼層，即所謂凝殼，此時坩堝內襯相當于用所熔金屬制成，避免了坩堝對金屬熔體的污染[27]。根據加熱方式的不同，可分外熱式熔煉和內熱式熔煉兩種方法[28]，見圖2、圖3?？刂破髂芰堪l生器坩堝熔體凝殼冷卻水圖2外熱式加熱熔煉法示意圖2.1外熱式熔煉法外熱式熔煉方法根據熔煉時熱量來源不同，又可分為自耗電極電弧爐熔煉、非自耗電極電弧爐熔煉、電子束爐、等離子弧爐等幾種[29-32]，其中能量發生器分別為自耗電極、非自耗電極、電子槍、等離子弧炬等。能量發生器產生的能量使金屬熔化并過熱，金CFMT中國鑄造裝備與技術2／20093

專題綜述REVIEW感應線圈水冷導管熔體2500Hz加熱溫度不宜超過β單相區，否則會引起β相晶粒急劇長大，產生β脆性；因此固溶處理時應加熱到α＋β兩相區上部溫區，經充分保溫使合金元素充分溶入固溶體中，然后水冷淬火[38-39]。固溶處理后的時效溫度一般在500~600℃之間。無損檢測X射線檢測是鈦合金鑄件進行無損檢測的一種常用方法。但是由于夾雜的密度和鈦合金的密度相差較小并且X射線的穿透深度有限，所以X射線只能檢測厚度小于3.75cm薄壁鑄件，對于大型厚壁鑄件卻無能為力。近來，ds等人使用中子射線來檢測大型厚壁鑄件，從而大大提高了夾雜的檢測能力，中子射線可以用來檢測厚度為7.5cm內小于0.75mm的夾雜[40-43]。超聲波探傷具有檢測厚度大、靈敏度高、速度快等優點，也被應用于鈦合金鑄件的檢測[44]。4發展趨勢3.4圖4電磁冷坩堝熔煉法原理圖術具有很多優點：①金屬在水冷銅坩堝中懸浮或軟②感應加熱可以接觸，可以使金屬沒有污染地熔化；熔化高熔點的金屬；③電磁力的強烈攪拌使熔體組織成分均勻；④適用范圍廣，可以熔煉不同成分的合金和材料；⑤高溫熔體對冷坩堝無實質性腐蝕，使用壽命長。3鑄件的后期處理3.1熱等靜壓熱等靜壓（HIP）是1970年代發展起來的新技術，是在高溫下利用各向均等的靜壓力進行壓制的工藝方法。HIP可以消除鈦鑄件內的微觀縮孔或氣泡，從而提高鑄件質量，但直徑大于10mm的縮孔很難在熱等靜壓中壓扁焊合，需通過X光檢驗測定縮孔部位后，進行補焊。對于Ti-6Al-4V合金，HIP是在氬氣中進行的，溫度為920℃，壓力為1~2MPa，持續時間為2h或更長一些。當然，不同的鈦合金所設定的處理條件不同，通常的溫度范圍為900~1100℃，壓力為1~2MPa。[28]（1）鈦合金鑄件的生產成本限制了它在航空航天工業上的應用，因此鈦合金的發展將主要放在如何降低成本上，造型材料和真空熔煉是生產中的高成本環節，應進一步加大此方面的研究。（2）鈦合金鑄件將越來越多地應用在易疲勞、易斷裂等關鍵部位，加大鈦合金研發，將是鈦合金發展的又一大趨勢。（3）由于鑄造鈦合金在鑄造過程中經常存在鑄造應力、組織性能不均勻等問題，為確保鑄件的使用質量，針對鈦合金鑄件開發熱等靜壓和熱處理技術研究顯得尤為重要。（4）熔模鑄造只能生產中小型鑄件，應尋求一種生產更大型、更凈形、更高效鑄件的工藝，提高鈦合金鑄件的生產能力。（5）進一步擴大計算機模擬凝固技術在鈦合金鑄造中的應用,以提高鑄件質量，減小鑄件的廢品率。參考[1][2]3.2焊接修補熱等靜壓可以消除鑄件內部缺陷，但是不能消除鑄件表面缺陷。所以在熱等靜壓處理后需要對鈦鑄件表面進行檢測，若表面存在凹凸缺陷，可采用焊接來修補。鈦是完全可以焊接的，焊接件具有優良的拉伸和疲勞性能，有時甚至超過基體的性能[36]。惰性氣體鎢弧焊是鈦合金焊接常用的工藝。3.3熱處理β型和α＋β型鈦合金均可進行強化熱處理，即文獻gcastingandforgingproblemsintitaniumalloys[J].MaterialsScienceandEngineering，1998，A243（1-2）:257~ingU.D，LiebetraU.J，gandcastingofSikkaV.K，Fe-Albadcastalloy[J].MaterialsScienceandEngineering，1998，A258（1-2）:229~235.通過固溶淬火得到亞穩定的過飽和固溶體，然后再進行時效，從而達到強化目的。影響強化效果的三要素是固溶加熱溫度、淬火冷卻速度和β相合金元素含量[37]。β型合金固溶處理時，加熱到β單相區后充分保溫，使合金元素充分溶入β相固溶體中，小件和薄件可空冷淬火，大件和厚件水冷淬火。α＋β型合金固溶[3]RENATImayev，icalVALERYImayev，propertiesofthermomechanicallytreatedTi-richγ+α2titaniumalu－minidealloys[J].ScriptaMaterialia.2003，49（10）:1047~1052.[4]FerreroJ，HuttA，SweetS.[A].BetatitaniumalloysandtheinuinvariousautomotivespringapplicationsTi-2003scienceandtechnolo－4CFMT中國鑄造裝備與技術2／2009

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