摘　要　借助SEM，EPMA和顯微硬度儀等分析測試手段，對氧化鋯陶瓷熔模型殼工藝中的鈦與型殼界面相互作用進行了研究。試驗表明，鈦與型殼界面處同時存在著熱機械作用和物理化學(xué)作用，而且二者是相互交織在一起的。可以以為，鈦與型殼界面反應(yīng)是以Zr,O向鈦基體內(nèi)的熱擴散為主導(dǎo)的，受Zr,O元素的擴散行為控制。

　　關(guān)鍵詞：鈦合金　熔模精鑄　金屬與殼型界面　相互作用在鈦合金鑄造中，金屬與鑄型界面相互作用是影響鑄件質(zhì)量的首要因素。熔融的鈦合金具有很高的化學(xué)活性，幾乎可以與所有的耐火材料反應(yīng)，在鑄件表面形成污染層，惡化鑄件的內(nèi)在和外觀質(zhì)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(guān)［1～3］。由于氧化物陶瓷熔模型殼工藝在航空航天鈦精鑄件生產(chǎn)中的地位日趨重要，因而研究氧化物陶瓷型殼與液鈦的相互作用具有重要的實際意義。但是，文獻報告中，直接針對實際澆注條件下的真實界面所進行的研究非常少［4，5］。為此，采用氧化鋯陶瓷熔模型殼工藝實際澆注了渦輪機葉片鈦精鑄件，借助SEM，EPMA和顯微硬度儀等分析測試手段，對該工藝條件下的界面相互作用進行了研究。

　　1　試驗材料與方法

　　通過實際澆注制取了鈦和型殼真實鑄造界面。粘結(jié)劑的研制是鈦合金熔模精鑄的最大難點。目前國內(nèi)外少數(shù)單位把握的為鋯溶膠類粘結(jié)劑，固然對鈦液具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，但必須用昂貴的有毒金屬有機化合物脫蠟，不能用水脫蠟。而我們獨立開發(fā)的新型鈦合金精鑄用粘結(jié)劑LJ-8型不但具有較鋯溶膠更高的化學(xué)穩(wěn)定性，而且可以用熱水或蒸汽脫蠟，從而率先解決了困擾國內(nèi)外鈦精鑄界多年的困難。采用此種粘結(jié)劑和ZrO2(CaO),即氧化鈣穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷粉作耐火材料，制備了熔模型殼。具體的涂料和制殼工藝見文獻［6］。熔煉采用從德國ALD公司引進的先進的水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐，在100 Pa的真空度下進行。本試驗選用材質(zhì)為純鈦，在重力下澆注。型殼澆注溫度為室溫，鈦液澆注溫度為1 840 ℃，相對純鈦熔點，其過熱度約為150 ℃。待鑄件隨爐自然冷卻后，打壞型殼并制取試樣，然后借助SEM，EPMA和顯微硬度儀等分析測試手段，分別對型殼和鑄件的表面和截面進行觀察與分析。

　　2　試驗結(jié)果與分析

　　2.1　鈦液對型殼的影響

　　借助掃描電子顯微鏡對澆鑄后型殼的斷面和內(nèi)表面分別進行了觀察。從圖1a所示的型殼斷面形貌可以看出，澆鑄后的型殼內(nèi)表面產(chǎn)生了一個厚度大約為200 μm的剝離層。這是由于型殼內(nèi)表面在澆注時承受鈦液的熱沖擊而產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)造成的。澆注及凝固過程中因溫度升高而引起的型殼線膨脹可用下式求得：

　　ΔL=L.αTΔT　　　(1)

　　式中　L——型殼的線度

　　ΔL——型殼的線膨脹

　　αT——型殼面層的線膨脹系數(shù)，是溫度的單調(diào)上升函數(shù)ΔT——型殼的溫度升高a. 型殼斷面　 b. 型殼內(nèi)表面

　　圖1　型殼斷面和表面的掃描照片

　　鈦液流進型腔后在型殼表面以極大的冷卻速度凝固，根據(jù)丈量，薄壁處的凝固時間可短至數(shù)秒鐘。同時，由于ZrO2(CaO)的導(dǎo)熱系數(shù)較低，鈦液凝固放出的大量潛熱難以在這么短的時間內(nèi)傳遞到型殼內(nèi)部，于是全部被型殼表面的一個薄層吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)樗臏囟壬?Delta;T。正是由于型殼表面的這一薄層的ΔT遠大于型殼內(nèi)部，所以使得其線膨脹量ΔL遠大于型殼內(nèi)部，因而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致它從型殼內(nèi)表面上剝離下來。

　　圖1b為澆注后的型殼內(nèi)表面形貌，照片左下部分直接與鈦液接觸并參與了對鈦液的相互作用，由于受熱沖擊而剝離后的型腔表面如照片右上部分所示。

　　2.2　型殼對鑄件的影響

　　為了研究鈦和型殼界面相互作用規(guī)律，采取進步金屬液澆注溫度等工藝措施來增加界面反應(yīng)。用掃描電鏡觀察鑄態(tài)表面，發(fā)現(xiàn)鑄件表面?zhèn)€別區(qū)域存在著稍微的粘砂缺陷，如圖2a所示。圖2b為鑄件表面的鋯成分像，可見鑄態(tài)表面含有一定濃度的鋯元素。且大體上呈現(xiàn)均勻分布，只是在粘砂顆粒四周鋯元素濃度偏高。對鑄件表面作能譜分析，所得到的鋯元素摩爾分?jǐn)?shù)分布為：粘砂顆粒處22%，粘砂顆粒四周0.78%,闊別粘砂顆粒處0.22%。由以上現(xiàn)象可以看出，鋯元素是以粘砂顆粒為源頭向四周進行梯度擴散的。

　　a. 鑄態(tài)表面形貌　b. 鑄態(tài)表面鋯的成分像

　　圖2　鑄件表面SEM觀察

　　進而，又對鈦和型殼界面進行了電子探針顯微分析。為了能夠直觀地研究界面反應(yīng)過程，在制取試樣時，特地將附著于鑄件表面的型殼表面剝離層保存了下來。圖3a為界面反應(yīng)區(qū)的背散射電子像，照片下側(cè)為金屬基體，上側(cè)為型殼表面剝離層。圖3b為平行于直界面方向上的鈦元素和鋯元素的線掃描曲線，其中位于上面的曲線為鈦的線掃描，下面為鋯元素的線掃描。從圖3b中可以看出，Zr元素在平行于界面方向上的摩爾濃度分布并不是均勻的，而是存在著一定的波動，其基本規(guī)律為：與ZrO2(CaO)顆粒接觸的區(qū)域Zr的摩爾濃度高，反之，Zr的摩爾濃度低。

　　a. 界面背散射形貌　b. 平行于界面方向上的線掃描圖3　實際澆注反應(yīng)界面的EPMA分析試驗還借助能譜分析和顯微硬度分析，研究了鋯、氧元素濃度分布對界面反應(yīng)嚴(yán)重的鈦鑄件表面處顯微硬度的影響規(guī)律，如圖4所示。從圖中可見，鋯元素濃度由表及里逐漸降低，鋯的分布區(qū)域大約為30 μm。而且，顯微硬度分布曲線與鋯濃度分布曲線的形態(tài)對應(yīng)良好，因此污染層顯微硬度的增加是源于ZrO2分解出的Zr元素與O元素向鈦基體內(nèi)的熱擴散而導(dǎo)致的固溶強化。

　　圖4　Zr元素分布對顯微硬度的影響

　　3　討　論

　　由試驗結(jié)果可知，鈦與型殼界面相互作用是十分復(fù)雜的，其中既有鈦液對型殼的沖蝕、滲透和熱沖擊等機械作用，又有鈦和型殼成分間的熱擴散、化學(xué)反應(yīng)等熱物理化學(xué)作用，而且機械作用與物理化學(xué)作用是相互交織在一起的。型殼內(nèi)表面由于鈦液的熱沖擊所引起的應(yīng)力集中而產(chǎn)生了一個剝離層，有時候這一剝離層以一定的強度附著于鑄件表面；鑄件表面則由于型殼中的鋯、氧等元素的熱擴散而產(chǎn)生了一個表面污染層，該污染層的顯微硬度遠高于鑄件基體的內(nèi)部。毫無疑問，鑄件表面稍微的粘砂缺陷是以上兩者共同作用的結(jié)果，但是這兩者之間具體的相互影響規(guī)律還有待于進一步的深進研究。

　　在氧化鋯陶瓷熔模型殼工藝中，鈦與型殼界面相互作用的主導(dǎo)方面是Zr,O元素向鈦基體內(nèi)的熱擴散。試驗結(jié)果顯示，鑄件表面的Zr,O元素濃度并不是均勻分布的，而是根據(jù)與型殼表面的接觸狀態(tài)呈現(xiàn)出一定的波動。可以推斷，當(dāng)鈦基體內(nèi)的Zr,O元素濃度超過某一臨界值后，將會有新相產(chǎn)生，這必然使鑄件的表面質(zhì)量更加惡化。據(jù)此我們以為，凡是阻礙界面熱擴散的因素都可以弱化界面處的化學(xué)反應(yīng)。其中一個較為關(guān)鍵的工藝參數(shù)就是型殼的預(yù)熱溫度。在保證充型能力以及型殼具有足夠的抗熱沖擊強度的條件下，適當(dāng)降低型殼預(yù)熱溫度可以大大減輕界面反應(yīng)。事實上，試驗中采用冷殼澆注獲得了相當(dāng)滿足的鑄件表面質(zhì)量。

　　4　結(jié)　論

　　(1) 型殼內(nèi)表面由于鈦液的熱沖擊作用而產(chǎn)生了一個約200 μm厚的剝離層，鑄件表面則由于型殼中的鋯、氧等元素的熱擴散面產(chǎn)生了一個30 μm的表面污染層。

　　(2) 鈦與型殼界面相互作用是十分復(fù)雜的，其中既有鈦液對型殼的沖蝕、滲透和熱沖擊等機械作用，又有鈦與型殼成分間的熱擴散、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)作用，而且機械作用與物理化學(xué)作用是相互交織在一起的。

　　(3) 鈦與型殼界面的反應(yīng)是Zr,O向鈦基體內(nèi)的熱擴散為主導(dǎo)的，受Zr,O元素的擴散行為控制。而且界面反應(yīng)也并非是均衡發(fā)展的，而是根據(jù)與型殼表面的接觸狀態(tài)的不同呈現(xiàn)出一定的波動。