大型鈦及鈦合金精鑄件污染層研究

葉文輝

（寶鈦集團(tuán)精鑄廠，陜西寶雞 72l0l4）

大型鈦及鈦合金精鑄件污染層研究

葉文輝

（寶鈦集團(tuán)精鑄廠，陜西寶雞 72l0l4）

對于鈦精密鑄造而言，鑄件表面污染層的大小直接影響鑄件質(zhì)量，但目前對污染層的研究較少，并對其去除方法論述較少。本文通過實(shí)驗(yàn)，明確了污染層的主要成份，并對其除去方法進(jìn)行了探討，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鑄件完全達(dá)到了各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

鈦精密鑄造；污染層；氧化物陶瓷型殼

鈦的精密鑄造技術(shù)在鈦及鈦合金鑄造領(lǐng)域占有重要地位，但一直以來精密鑄造技術(shù)只適于生產(chǎn)小型鑄件，對于大型鑄件的精密鑄造技術(shù)現(xiàn)在還不成熟，生產(chǎn)的鑄件污染層比較厚是經(jīng)常遇到的問題。鑄件表面的污染層大小直接影響著鈦鑄件的質(zhì)量，研究污染層對于解決大型鑄件的精密鑄造有重要意義。

通常在高溫下熔融的鈦及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發(fā)生反應(yīng)，在鑄件表面形成污染層，這些污染層會(huì)惡化鑄件的內(nèi)在和外觀質(zhì)量。現(xiàn)有的鈦及鈦合金精密生產(chǎn)工藝主要是氧化物陶瓷熔模鑄造工藝[l]，因而研究氧化物陶瓷型殼與液鈦反應(yīng)生成的污染層具有重要的實(shí)際意義。為此，采用氧化鋯陶瓷熔模鑄造工藝實(shí)際澆注了8寸閥體鑄件，借助掃描電鏡、顯微鏡等分析測試手段，對該工藝條件下的鑄件污染層進(jìn)行了研究。

l 試驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)采用鋯溶膠作為粘結(jié)劑，氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉作耐火材料，制備了熔模型殼。熔煉采用真空殼式爐進(jìn)行熔煉，在3 Pa～6.67 Pa的真空度下進(jìn)行澆注。本實(shí)驗(yàn)選用材質(zhì)為純鈦，在重力下澆注。待鑄件隨爐自然冷卻后，清除型殼并在鑄件上制取試樣。

從鑄造出的鈦鑄件中，選取8寸閥體（材質(zhì)為C-2）進(jìn)行污染層的檢測，進(jìn)而對污染層進(jìn)行研究。

由于側(cè)面位置和兩法蘭壁厚較厚，污染層容易在此地方產(chǎn)生，所以分別從閥體的側(cè)面和法蘭進(jìn)行取樣，其取樣位置如圖l所示。

圖l 取樣位置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對兩個(gè)試樣進(jìn)行污染層檢測，污染層厚度為0.6lmm，其污染層電子圖片如圖2所示。

圖2 鈦鑄件的表面“α”污染層顯微組織（×50）

從圖2看出閥體側(cè)面和兩個(gè)法蘭的污染層厚度基本一致，這說明在閥體生產(chǎn)過程中有污染層的產(chǎn)生，而且污染層比較厚。

使用掃描電鏡對試樣污染層進(jìn)行掃描，面掃結(jié)果如圖3所示。

圖3 試樣污染層SEM圖

圖3表明：污染層中C、Si和Zr含量較高。污染層中Si和Zr元素來自于制殼所用的耐火材料中，C元素來自于沒有完全燃燒的模型材料。由此可見大型鑄件的精密鑄造技術(shù)需要解決模型選材問題和制殼用耐火材料的選材問題。

使用掃描電鏡對試樣基體進(jìn)行掃描，面掃結(jié)果如圖4所示。

基體中不含雜質(zhì)元素，說明污染層在一定的厚度范圍內(nèi)并不向基體內(nèi)部擴(kuò)散。只要去除表面的污染層，就可以徹底解決污染層問題。

在污染層的形成過程中，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(jī)械作用，又有鈦和型殼成份間的熱擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等熱物理化學(xué)作用，而且機(jī)械作用與物理化學(xué)作用是相互交織在一起的。污染層的產(chǎn)生原因：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(gè)剝離層，有時(shí)候這一剝離層以一定的強(qiáng)度附著于鑄件表面；另一種原因?yàn)椋鸿T件表面由于型殼中的鋯、氧等元素的熱擴(kuò)散而產(chǎn)生了一個(gè)表面污染層，該污染層的顯微硬度遠(yuǎn)高于鑄件基體的內(nèi)部從而產(chǎn)生污染層。

圖4 試樣基體SEM圖

3 污染層的去除

對鑄件采用硝酸、聚硫酸鐵和氫氟酸的混合酸進(jìn)行酸洗。測量鑄件壁厚從而計(jì)算酸洗尺寸，酸洗到要求的尺寸后，污染層就全部被去除。對酸洗后的鑄件用清水進(jìn)行沖洗，洗掉表面的污漬。整個(gè)酸洗過程必須嚴(yán)格控制酸洗溫度和酸洗速度，保證能完全去除污染層又不會(huì)增加氫含量。對酸洗后的鑄件通過測量發(fā)現(xiàn)其“α”污染層被完全去除，鑄件表面質(zhì)量良好，如圖5所示。

圖5 酸洗后的鈦鑄件

酸洗后用激光掃描儀對鑄件尺寸進(jìn)行測量，對比酸洗前和酸洗后鑄件不同部位的尺寸變化，就可以知道酸洗效果。通過測量表明酸洗量的大小尺寸存在一個(gè)波動(dòng)范圍，本實(shí)驗(yàn)為±0.3 mm.如圖6所示。

圖6 酸洗前后鑄件尺寸變化

用熒光著色方法對酸洗過的鑄件進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鑄件表面出現(xiàn)好幾處最大直徑為3 mm的顯色點(diǎn)。但這符合標(biāo)準(zhǔn)ASME B l6.34的要求，完全可以出售，不需要補(bǔ)焊。圖7為熒光滲透檢驗(yàn)。

圖7 熒光滲透檢驗(yàn)

氫含量的大小影響鑄件的力學(xué)性能，通常會(huì)產(chǎn)生“氫脆”現(xiàn)象。對酸洗后的鑄件進(jìn)行氫含量分析，分析結(jié)果顯示酸洗后含氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加，從0.0036%增加到0.004%，但增加不明顯。實(shí)驗(yàn)表明鑄件的污染層可以用酸洗的方法去除。

圖8 X射線檢測

為了了解鑄件的內(nèi)部性能需要對鑄件進(jìn)行X射線檢測。由圖8可知，鑄件在沒有熱壓和焊接的情況下，鑄件通過了X射線檢測，完全滿足X射線檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié) 論

氧化鋯陶瓷熔模鑄造工藝生產(chǎn)的鈦鑄件污染層的主要成份為C、Si和Zr.污染層可以通過酸洗的方法直接去除，酸洗后的鑄件通過滲透和X射線檢測，其指標(biāo)完全滿足美標(biāo)要求。

［l］謝成木.鈦及鈦合金鑄造［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］葉文輝.王蘭芳.小型薄壁鈦合金鑄件低成本精密鑄造技術(shù)［J］.鑄造設(shè)備與工藝，20l5（05）：l2-l3

Research on Pollution Layer of Large Casting Titanium and Titanium Alloy

YE Wen-hui
（Presicion Casting Factory of Baotai Group，Baoji Shanxi 72l0l4，China）

For the precision casting of titanium，the surface of the casting has a direct impact on the quality of the casting.There are few studies on the pollution layer，and the method of removing it is less.In this paper，the main components of the contaminated layer were determined through experiments，and the removal methods were discussed.The experimental results showed that the castings have met the requirements of the standards.

titanium precision casting，pollution layer，oxide ceramic shell

TG249.5

A

l674-6694（20l7）05-0038-03

20l7-09-l2

葉文輝（1978-），男，碩士，工程師，主要從事鈦合金的精密鑄造工藝研究。

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.009