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，鈦與型殼界面反應是以Zr,O向鈦基體內的熱擴散為主導的，受Zr,O元素的擴散行為控制。
關鍵詞：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［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。粘結劑的研制是鈦合金熔模精鑄的最大難點。目前國內外少數單位把握的為鋯溶膠類粘結劑，固然對鈦液具有較高的化學穩定性，但必須用昂貴的有毒金屬有機化合物脫蠟，不能用水脫蠟。而我們獨立開發的新型鈦合金精鑄用粘結劑LJ-8型不但具有較鋯溶膠更高的化學穩定性，而且可以用熱水或蒸汽脫蠟，從而率先解決了困擾國內外鈦精鑄界多年的困難。采用此種粘結劑和ZrO2(CaO),即氧化鈣穩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熔煉爐，在100 Pa的真空度下進行。本試驗選用材質為純鈦，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，澆鑄后的型殼內表面產生了一個厚度大約為200 μm的剝離層。這是由于型殼內表面在澆注時承受鈦液的熱沖擊而產生的尺寸效應造成的。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，是溫度的單調上升函數ΔT——型殼的溫度升高a. 型殼斷面 b. 型殼內表面
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，根據丈量，薄壁處的凝固時間可短至數秒鐘。同時，由于ZrO2(CaO)的導熱系數較低，鈦液凝固放出的大量潛熱難以在這么短的時間內傳遞到型殼內部，于是全部被型殼表面的一個薄層吸收而轉變為它的溫度升高ΔT。正是由于型殼表面的這一薄層的ΔT遠大于型殼內部，所以使得其線膨脹量ΔL遠大于型殼內部，因而產生應力集中，導致它從型殼內表面上剝離下來。
圖1b為澆注后的型殼內表面形貌，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律，采取進步金屬液澆注溫度等工藝措施來增加界面反應。用掃描電鏡觀察鑄態表面，發現鑄件表面個別區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，可見鑄態表面含有一定濃度的鋯元素。且大體上呈現均勻分布，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數分布為：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. 鑄態表面形貌 b. 鑄態表面鋯的成分像
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為界面反應區的背散射電子像，照片下側為金屬基體，上側為型殼表面剝離層。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，其基本規律為：與ZrO2(CaO)顆粒接觸的區域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嚴重的鈦鑄件表面處顯微硬度的影響規律，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對應良好，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元素向鈦基體內的熱擴散而導致的固溶強化。
圖4 Zr元素分布對顯微硬度的影響
3 討 論
由試驗結果可知，鈦與型殼界面相互作用是十分復雜的，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、化學反應等熱物理化學作用，而且機械作用與物理化學作用是相互交織在一起的。型殼內表面由于鈦液的熱沖擊所引起的應力集中而產生了一個剝離層，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果，但是這兩者之間具體的相互影響規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方面是Zr,O元素向鈦基體內的熱擴散。試驗結果顯示，鑄件表面的Zr,O元素濃度并不是均勻分布的，而是根據與型殼表面的接觸狀態呈現出一定的波動。可以推斷，當鈦基體內的Zr,O元素濃度超過某一臨界值后，將會有新相產生，這必然使鑄件的表面質量更加惡化。據此我們以為，凡是阻礙界面熱擴散的因素都可以弱化界面處的化學反應。其中一個較為關鍵的工藝參數就是型殼的預熱溫度。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，適當降低型殼預熱溫度可以大大減輕界面反應。事實上，試驗中采用冷殼澆注獲得了相當滿足的鑄件表面質量。
4 結 論
(1) 型殼內表面由于鈦液的熱沖擊作用而產生了一個約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、化學反應等物理化學作用，而且機械作用與物理化學作用是相互交織在一起的。
(3) 鈦與型殼界面的反應是Zr,O向鈦基體內的熱擴散為主導的，受Zr,O元素的擴散行為控制。而且界面反應也并非是均衡發展的，而是根據與型殼表面的接觸狀態的不同呈現出一定的波動。