含細長孔ZTC4/TA2鈦合金鑄件界面熔合效果研究

張美娟，郄喜望，南海，吳國清

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095；4. 北京航空航天大學，北京 100083）

現(xiàn)代航空器形體和結構都很復雜，其壁部要制成夾層帶有異型空腔的薄壁結構，取消外部盤繞的許多回形油路、氣路，以減輕重量和保證整體剛性[1—7]。在航空航天領域，常采用型芯法制備含有細長孔的鈦合金精密鑄件，但當鑄件中的細長孔道為異形、彎曲或孔道過長時，脫芯難成為采用型芯法制備鑄件面臨的主要技術難點，鑄件存在由于無法脫除型芯或脫芯后鑄件內腔表面光潔度低，導致的報廢問題。采用鑲鑄技術可一次成型鑄件復雜內腔，無需型芯脫除工序，可解決該類問題。目前這種技術在鑄銅件、鑄鋼件的制造中應用較多[8—12]。謝華生等[13]采用鑲鑄技術研制出Ti3Al基合金鑄件，其中要求可熔性金屬芯既要能使合金液圓滿充型，又要在充型結束后熔化以減少收縮阻力，以保證其退讓性。李柱等[14]采用鑲鑄技術制備出鈦合金雙金屬鑄件，但鑄件的界面熔合率隨鑲嵌管體表面粗糙度增加而降低。

文中以鈦合金精密細孔鑄件的研制為背景，探索利用鑲鑄法制備鈦合金精密細孔鑄件的可行性，分析鑲鑄比對鑄件界面熔合率的影響規(guī)律，為航空發(fā)動機及機體構件用鈦合金精密復雜鑄件的研制提供技術依據。

1 試驗材料與方法

鑄件由母體和管體構成，見圖1。設計鑄件長為140 mm，內徑為Φ8 mm，外徑分為Φ18 mm和Φ26 mm。母體采用ZTC4鈦合金，管體采用壁厚為1 mm的 TA2純鈦管。鑄件母體壁厚與管體壁厚之比為鑲鑄比，在保持母體壁厚不變的條件下，通過酸洗減薄管體壁厚來改變鑄件的鑲鑄比，并且通過增大鑲鑄比考察管體熔透時鑲鑄比的極限值，并確定酸洗減薄管體的臨界壁厚，設計的不同鑲鑄比鑄件試樣見表1。

ZTC4/TA2鈦合金鑄件采用熔模精密鑄造和鑲鑄技術復合的方式制備，并用離心方式進行澆注，其中澆注工藝參數為：型殼預熱溫度 150 ℃，離心轉速400 r/min，電流7000 A。利用光學顯微鏡進行鑄件試樣橫截面微觀結構觀察，統(tǒng)計界面熔合率（熔合界面長度與總界面長度之比）。

圖1 ZTC4/TA2鈦合金鑄件的尺寸和結構Fig.1 Dimensions and structure of ZTC4/TA2 titanium alloy castings

表1 不同鑲鑄比的ZTC4/TA2鑄件Tab.1 ZTC4/TA2 castings with different inlaying proportion

2 試驗結果與分析

2.1 酸洗減薄管體被熔透臨界壁厚分析

對鑄件壁厚為 9 mm的鑄件進行X射線無損檢測，結果見圖2。其中鑲鑄比為23∶1和15∶1的試樣，內部細長孔道消失，通過鑄件的宏觀剖面照片可知管體被壓合在一起，并且鑲鑄比為15∶1的鑄件從兩端到中間管體出現(xiàn)逐漸被壓合的現(xiàn)象，在被壓合的管體兩側有大量氣孔和縮孔，在壓合處出現(xiàn)管體組織包裹母體組織的現(xiàn)象（見圖2b），這說明在澆注過程中由于鑲鑄比較大，管體被熔透。當鑲鑄比低于 12∶1時，內部管體局部發(fā)生彎曲，但鑄件中的管體仍能保持完整形態(tài)（見圖2c）。當鑲鑄比低于10∶1時，內部管體未發(fā)生變形。因而，基于本實驗條件，對于使用酸洗減薄純鈦管的鑄件，當鑲鑄比超過15∶1，管體壁厚小于0.56 mm時，管體即會發(fā)生熔透現(xiàn)象，無法形成有細長孔的鈦合金鑄件。

2.2 壁厚為9 mm鑄件界面熔合效果分析

壁厚為9 mm不同鑲鑄比鑄件的熔合率見圖3。隨著鑲鑄比增加，鑄件熔合率增大，不同鑲鑄比鑄件的熔合率均高于80%。由于鑲鑄比是影響熔合率的主要因素，試驗通過酸洗減薄管體壁厚的方法來提高鑲鑄比，可以在保持鑄件壁厚不變的情況下，有效提高鑄件熔合率，并且鑄件熔合率隨著鑲鑄比增加而增大。對于鑲鑄比為10∶1的鑄件，通過對界面未熔合的區(qū)域進行成分分析可知，未熔合區(qū)域氧元素含量偏高，這主要是由于在酸洗減薄管體壁厚時，TA2管體表面被侵蝕，發(fā)生氧化反應，殘留物對鑄件界面熔合效果有影響。為提高鑄件界面熔合率，應對酸洗減薄壁厚的管體表面進行超聲清洗或堿洗。

圖2 鑄件X射線無損檢測結果及宏觀形貌Fig.2 Result of X-ray nondestructive testing and macro structure of castings

圖3 不同鑲鑄比鑄件熔合率Fig.3 Fusion rate of casting with different inlaying proportion

壁厚為9 mm不同鑲鑄比鑄件的金相組織見圖4。對于鑲鑄比為23∶1的試樣，其壁厚為0.38 mm，由于管壁較薄，管體強度低，在離心澆注過程中管體被充入型腔的金屬液壓扁，對應的宏觀照片可以看見管體成條帶狀，在管體周圍分布大量缺陷。通過金相分析（見圖 4b）可知，母體/管體界面完全互熔，鑄件熔合率為100%。同時鑄件母體/管體界面均出現(xiàn)互熔現(xiàn)象，隨著鑲鑄比增加，界面互熔區(qū)域寬度加大，鑲鑄比較大時有利于界面Al元素擴散[14]，進而提高整體熔合效果。

圖4 壁厚9 mm不同鑲鑄比鑄件的金相組織Fig.4 Metallographic structure of castings in wall thickness of 9 mm with different inlaying proportion

2.3 壁厚為 5 mm 鑄件界面組織及熔合效果分析

ZTC4/TA2鑄件的典型界面微觀組織見圖 5，其中母體ZTC4鈦合金為典型的α+β片層狀結構[15]。鑄件的界面由熔合區(qū)和未熔合區(qū)構成，未熔合區(qū)母體和管體之間存在縫隙。熔合區(qū) TA2鑲嵌管體表面發(fā)生了部分熔化，元素從母體向管體擴散，使管體與母體之間的界面冶金結合，并形成細小片狀α相魏氏體結構組成[14]。

當鑲鑄件外徑為5 mm時，鑲鑄比為5∶1, 6∶1,8∶1鑄件的熔合率分別為32.56%, 51.9%, 80.85%。對于鑲鑄比為 5∶1的鑄件，界面存在大量不連續(xù)未熔合區(qū)域。當鑲鑄增加比至8∶1時，母體/管體界面片狀α相增多，未熔合區(qū)域減少。因而對于壁厚為5 mm含細長孔的薄壁鈦合金鑄件，當鑲鑄比大于8∶1時，鑄件熔合率超過80%。較高的熔合率有利于提高含細長孔鈦合金鑄件的強度，并增強鑲鑄界面穩(wěn)定性，更適合實際使用時對薄壁含細長孔鈦合金鑄件的需求。

圖5 壁厚5 mm不同鑲鑄比鑄件界面金相組織Fig.5 Interfacial metallographic structure of castings in wall thickness of 5 mm with different inlaying proportion

3 結論

1) 典型 ZTC4/TA2鑄件鑲鑄界面的分析表明，鑲鑄用管體組織為片狀的魏氏體組織，母體組織主要是α+β片層狀結構。鑲鑄界面可分為未熔合區(qū)和熔合區(qū)，未熔合區(qū)母體和管體之間存在縫隙。

2) 鑄件界面熔合率隨著鑲鑄比增加而增大。對于本實驗條件，當鑲鑄比大于8∶1時不同壁厚鑄件熔合率均超過80%。

3) 可通過酸洗減薄鑲鑄用管體壁厚的方法調整鑲鑄比，對于本實驗條件，當鑲鑄比高于12∶1時管體發(fā)生彎曲，當鑲鑄比高于15∶1時，管體被壓合并發(fā)生熔透現(xiàn)象。

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