熔模铸造中钛合金与型壳界面的相互作用

在钛合金铸造中，金属与铸型界面相互作用是影响铸件质量的首要因素。熔融的钛合金具有很高的化学活性，几乎可以与所有的耐火材料反应，在铸件表面形成污染层，恶化铸件的内在和外观质量；此外，钛铸件的其他几种主要缺陷也都和熔融钛与铸型的相互作用有关。由于氧化物陶瓷熔模型壳工艺在航空航天钛精铸件生产中的地位日趋重要，因而研究氧化物陶瓷型壳与液钛的相互作用具有重要的实际意义。但是，文献报告中，直接针对实际浇注条件下的真实界面所进行的研究非常少。为此，采用氧化锆陶瓷熔模型壳工艺实际浇注了涡轮机叶片钛精铸件，借助SEM，EPMA和显微硬度仪等分析测试手段，对该工艺条件下的界面相互作用进行了研究。
1.试验材料与方法
通过实际浇注制取了钛和型壳真实铸造界面。粘结剂的研制是钛合金熔模精铸的最大难点。目前国内外少数单位把握的为锆溶胶类粘结剂，固然对钛液具有较高的化学稳定性，但必须用昂贵的有毒金属有机化合物脱蜡，不能用水脱蜡。而我们独立开发的新型钛合金精铸用粘结剂LJ-8型不但具有较锆溶胶更高的化学稳定性，而且可以用热水或蒸汽脱蜡，从而率先解决了困扰国内外钛精铸界多年的困难。采用此种粘结剂和ZrO2(CaO),即氧化钙稳定的氧化锆陶瓷粉作耐火材料，制备了熔模型壳。具体的涂料和制壳工艺见文献［6］。熔炼采用从德国ALD公司引进的先进的水冷铜坩埚感应熔炼炉，在100 Pa的真空度下进行。本试验选用材质为纯钛，在重力下浇注。型壳浇注温度为室温，钛液浇注温度为1 840 ℃，相对纯钛熔点，其过热度约为150 ℃。待铸件随炉自然冷却后，打坏型壳并制取试样，然后借助SEM，EPMA和显微硬度仪等分析测试手段，分别对型壳和铸件的表面和截面进行观察与分析。
2.试验结果与分析
2.1　钛液对型壳的影响
借助扫描电子显微镜对浇铸后型壳的断面和内表面分别进行了观察。从图1a所示的型壳断面形貌可以看出，浇铸后的型壳内表面产生了一个厚度大约为200 μm的剥离层。这是由于型壳内表面在浇注时承受钛液的热冲击而产生的尺寸效应造成的。浇注及凝固过程中因温度升高而引起的型壳线膨胀可用下式求得：
ΔL=L.αTΔT
式中　L——型壳的线度
ΔL——型壳的线膨胀
αT——型壳面层的线膨胀系数，是温度的单调上升函数ΔT——型壳的温度升高a. 型壳断面　 b. 型壳内表面
钛液流进型腔后在型壳表面以极大的冷却速度凝固，根据丈量，薄壁处的凝固时间可短至数秒钟。同时，由于ZrO2(CaO)的导热系数较低，钛液凝固放出的大量潜热难以在这么短的时间内传递到型壳内部，于是全部被型壳表面的一个薄层吸收而转变为它的温度升高ΔT。正是由于型壳表面的这一薄层的ΔT远大于型壳内部，所以使得其线膨胀量ΔL远大于型壳内部，因而产生应力集中，导致它从型壳内表面上剥离下来。

(1)型壳内表面由于钛液的热冲击作用而产生了一个约200 μm厚的剥离层，铸件表面则由于型壳中的锆、氧等元素的热扩散面产生了一个30 μm的表面污染层。
(2)钛与型壳界面相互作用是十分复杂的，其中既有钛液对型壳的冲蚀、渗透和热冲击等机械作用，又有钛与型壳成分间的热扩散、化学反应等物理化学作用，而且机械作用与物理化学作用是相互交织在一起的。
(3)钛与型壳界面的反应是Zr,O向钛基体内的热扩散为主导的，受Zr,O元素的扩散行为控制。而且界面反应也并非是均衡发展的，而是根据与型壳表面的接触状态的不同呈现出一定的波动。