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探讨不同型壳材料条件下钛合金显微组织及界面反应
引言
由于钛及其合金的加工难度大，初期应用的钛制品都是锻造加工件，加工余量大，金属利用率低，生产成本高，极大地限制了它的应用范围。为了改变这种状态，世界上几个工业发达国家，从20 世纪60 年代初开始研究钛和钛合金的铸造技术，尤其是钛和钛合金的熔模精密铸造技术[1-8]。
熔模精密铸造工艺可铸出形状复杂、表面光洁的钛合金精密铸件并在航空航天工业及其他精密机械工业中已获得广泛的应用。现在不但可以生产中小型钛合金铸件，而且还能铸造大型整体薄壁铸件，具有明显的技术经济优势。由于钛和钛合金的高化学活性，要与空气中的氢、氧和氮发生剧烈化学反应，要与常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造技术，特别是熔模精铸技术比铝和钢难度大得多，需要借助于高科技手段才能实现。到目前为止，世界上掌握钛合金铸造技术的，只有美国、德国、中国、日本和前苏联等少数国家[1-7]。
目前普遍使用的型壳材料是氧化钇、氧化锆和锆溶胶、钇溶胶等材料，采用这些材料制备的钛合金铸件表面质量优良，但生产工艺复杂，生产成本昂贵。因此，寻找一种廉价的、与钛合金熔体反应较小的型壳材料，并且生产工艺简单的熔模精密铸造工艺是进一步降低钛合金熔模精密铸造工艺成本的重要途径之一。
1 实验材料与实验方法
1.1 材料的选择
本文选取了3 种典型钛合金进行合金的浇注：BT20(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金， TC4合金，TA2 合金。这3 种合金的名义化学成分见表1。
本实验所选取的蜡料是WM114 蜡料，熔点70～80 ℃，使用温度50～60 ℃，收缩率为0.6％～0.8 ％，灰分较少。氧化物陶瓷型壳材料选择ZrO2 以及低成本的刚玉作为相互比较的型壳材料，与上述3 种钛合金组合进行实验。
1.2 实验方法
采用自制的模具进行蜡模的制备，蜡模尺寸为φ8 mm×40 mm所示。
熔炼所用的原材料为φ25 mm 的棒材，制成φ25 mm×14 mm 的合金块，质量约30 g。合金的熔炼采用LZ5 型离心铸钛机。由于LZ5 型离心铸钛机需要型壳具有固定的形状与尺寸，因此在背层型壳涂挂到一定厚度时用自制包埋料进行包埋，脱蜡焙烧后进行浇注。为焙烧后的型壳及浇注出的试样。表2 为熔炼的工艺参数。
采用电火花线切割制备试样。用来观察显微组织的试样用金相砂纸从200#磨到1200#，抛光液为三氧化二铬水溶液，腐蚀液为8% HF+15% HNO3+77% H2O(摩尔分数)。利用光学显微镜、扫描电子显微镜分别对试样进行显微组织观察和线扫描分析。
2 实验结果及讨论
2.1 显微组织观察
是TA2 合金试样中部金相显微组织照片。由图可见：无论是以Al2O3 还是ZrO2 为型壳材料，TA2 合金的组织都以针状α 组织为主，未发现明显β 组织，2 种型壳材料得到的合金中央组织都比较细小；但相比较之下，以ZrO2 为型壳材料的合金组织要稍好一些，它的组织要更为细小，以Al2O3 为型壳材料的合金组织中有明显的粗晶。
为TC4 合金试样中部金相显微组织照片。以Al2O3 为型壳材料的合金组织要比ZrO2为型壳材料的合金组织明显粗大许多。由于TC4 合金中含有一定数量的β 相稳定元素V，从粉料为ZrO2 的金相照片中可以看到，组织中α 相和β 相相混合，其中片状α 相的取向多，群体数目多，组织细小，说明其组织为篮网状魏氏组织。之所以形成魏氏组织，主要是合金从β 相区冷却时，由于β→α 转变温度高，相应的α 相的长大速度快但生核速度较低，大多数在原始β 晶界开始生核并沿晶界生长，形成晶界α。随后α 相由晶界向晶内呈集束状扩展，直到相互接触为止。由于浇铸的试样比较小，合金冷却速度快，α 相不仅在晶界生核，同时在β 晶粒内也可以独立生核，使α 群体数目增多，组织细化，形成篮网状魏氏组织。在粉料为Al2O3 的TC4 合金中，发现组织主要为α 组织，伴随有少许的初生β 相粗晶，这与合金的冷却速度不够快，α 相未能及时形核有关。
为BT20 合金试样中部金相显微组织照片。当粉料为Al2O3 时，试样组织粗大，针状组织数量少；而以ZrO2 为粉料的BT20 合金试样，基本上为细小的针状α 组织。从前面分析可以看出，当粉料为ZrO2 时，TA2 合金、TC4 合金以及BT20 合金的显微组织要比粉料为Al2O3 时的细小，这可能是由于以ZrO2 为粉料时型壳的导热性好，晶粒来不及长大，所以组织细小。
2.2 钛合金与型壳界面反应层的线扫描分析
钛及钛合金在高温熔融状态下的化学反应性十分活泼，这使得钛及钛合金与氧化物陶瓷型壳之间都有不同程度的化学反应，并在铸件表面形成污染层，造成对铸件表面及内部质量的影响，因此，对钛及钛合金熔体与型壳的界面相互作用的研究具有很大的实际意义。本文采用电子探针微区分析(EPMA)，对不同类型钛合金与不同型壳材料的反应进行了界面反应测试与分析，得到各元素在型壳与钛合金组织反应层中的分布情况。
是TA2 合金与不同型壳材料反应的界面线扫描照片。由可以看出，Si 元素在2 种不同粉料得到的TA2 合金中，是作为SiO2 小颗粒黏着在试样表面而引入的，没观察到Si 元素的扩散，存在仅限于表面上附着的型壳残余部分内。至于Al 元素在粉料为Al2O3 的合金中，则扩散得很深入，约30～40 μm。值得注意的是，粉料中Al 元素的浓度梯度不大，扩散层的分界线不那么明显。
O 元素在这2 种以不同粉料制备的同种合金中，分布情况有很大的不同：在粉料为Al2O3的合金中，O 有着约20 μm 的扩散距离；而在以ZrO2 为粉料的合金里，O 与Si、Al 在局部区域(合金表面的型壳残余附着层)有着近乎同步的分布规律，这表明O 被牢牢的束缚在SiO2与Al2O3 的化学键内，没有进行扩散或者没有观察到扩散。
是TC4 合金与不同型壳材料反应的界面线扫描照片。可以看到，V 在2 个试样中的分布都未曾受到型壳与液态金属反应的影响，它的2 条分布曲线都比较平稳。
Al 元素在以Al2O3 为粉料的合金里，仍旧有着不小的扩散距离；而在ZrO2 作为粉料的合金中，Al 元素只是作为合金的成分，分布曲线很平稳。
值得注意的是，在Al2O3 为粉料的合金里，出现Si 的扩散现象，而没有相应的O 元素的同步的曲线分布，故可以认为，在此发生了典型的包含Si 元素的界面反应。
是型壳材料分别为刚玉和ZrO2，浇注合金为BT20 产生的界面反应的线扫描分析照片。可以看出，在粉料为Al2O3 的合金里，可明显看出Al2O3 颗粒附着在试样的表面，Al元素依旧扩散30～40 μm，而且还有Si 的扩散现象发生。Zr 元素在以ZrO2 为粉料的合金里，扩散距离不大于20 μm。
3 结论
1）型壳材料的选择对合金组织形态有很大的影响。Al2O3 和ZrO2 粉料对TA2 合金引起的组织形态上的差别不是很大，以ZrO2 为粉料制得的实验组织比Al2O3 的稍微好一些；而对于另外2 种合金BT20 与TC4 合金，这种差异要显著得多。
2）从反应界面的线扫描分析中可以得出：ZrO2 作为型壳材料要比Al2O3 稳定，等温情况下Zr 元素在同种钛合金的扩散距离约为Al 的1/3，所有的以Al2O3 为粉料的试样都发生了明显的Al 元素的扩散现象，只有部分以ZrO2 为粉料的试样（BT20）发生了Zr 的扩散现象，且不十分明显。
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参考文献
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