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(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095；4. 北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

現(xiàn)代航空器形體和結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，其壁部要制成夾層帶有異型空腔的薄壁結(jié)構(gòu)，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(lǐng)域，常采用型芯法制備含有細(xì)長孔的鈦合金精密鑄件，但當(dāng)鑄件中的細(xì)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(shù)難點(diǎn)，鑄件存在由于無法脫除型芯或脫芯后鑄件內(nèi)腔表面光潔度低，導(dǎo)致的報廢問題。采用鑲鑄技術(shù)可一次成型鑄件復(fù)雜內(nèi)腔，無需型芯脫除工序，可解決該類問題。目前這種技術(shù)在鑄銅件、鑄鋼件的制造中應(yīng)用較多[8—12]。謝華生等[13]采用鑲鑄技術(shù)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(jié)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(shù)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(xì)孔鑄件的研制為背景，探索利用鑲鑄法制備鈦合金精密細(xì)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(jī)及機(jī)體構(gòu)件用鈦合金精密復(fù)雜鑄件的研制提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

鑄件由母體和管體構(gòu)成，見圖1。設(shè)計(jì)鑄件長為140 mm，內(nèi)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(shè)計(jì)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(shù)復(fù)合的方式制備，并用離心方式進(jìn)行澆注，其中澆注工藝參數(shù)為：型殼預(yù)熱溫度 150 ℃，離心轉(zhuǎn)速400 r/min，電流7000 A。利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行鑄件試樣橫截面微觀結(jié)構(gòu)觀察，統(tǒng)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yàn)結(jié)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(jìn)行X射線無損檢測，結(jié)果見圖2。其中鑲鑄比為23∶1和15∶1的試樣，內(nèi)部細(xì)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(cè)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(dāng)鑲鑄比低于 12∶1時，內(nèi)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(dāng)鑲鑄比低于10∶1時，內(nèi)部管體未發(fā)生變形。因而，基于本實(shí)驗(yàn)條件，對于使用酸洗減薄純鈦管的鑄件，當(dāng)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(xì)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(yàn)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(jìn)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(yīng)，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(yīng)對酸洗減薄壁厚的管體表面進(jìn)行超聲清洗或堿洗。

圖2 鑄件X射線無損檢測結(jié)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(qiáng)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(yīng)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?qū)挾燃哟?，鑲鑄比較大時有利于界面Al元素擴(kuò)散[14]，進(jìn)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(jié)構(gòu)[15]。鑄件的界面由熔合區(qū)和未熔合區(qū)構(gòu)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(kuò)散，使管體與母體之間的界面冶金結(jié)合，并形成細(xì)小片狀α相魏氏體結(jié)構(gòu)組成[14]。

當(dāng)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(dāng)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(xì)長孔的薄壁鈦合金鑄件，當(dāng)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(xì)長孔鈦合金鑄件的強(qiáng)度，并增強(qiáng)鑲鑄界面穩(wěn)定性，更適合實(shí)際使用時對薄壁含細(xì)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(jié)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(jié)構(gòu)。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(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)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(diào)整鑲鑄比，對于本實(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)鑲鑄比高于12∶1時管體發(fā)生彎曲，當(dāng)鑲鑄比高于15∶1時，管體被壓合并發(fā)生熔透現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖樹龍, 陳玉勇, 朱洪艷, 等. 大型復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件熔模精密鑄造研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2006, 35(5): 678—681.XIAO Shu-long, CHEN Yu-yong, ZHU Yan-hong, et al.Recent Advanced on Precision Casting of Large Thin Wall Complex Casting of Titanium Alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(5): 678—681.

[2] LEE E W, LEI S C, FRAZIER W E. Applications, Benefits, and Implementation of Ti-6Al-4V Castings[J]. Journal of Metals, 2004, 11(8): 16—19.

[3] 謝成木. 鈦及鈦合金鑄造[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2005.XIE Cheng-mu. Titanium and Titanium Alloy Casting[M].Beijing: Mechanical Industry Press, 2005.

[4] AUSTIN C M. Current Status of Gamma Ti Aluminides for Aerospace Applications[J]. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 1999, 4(3): 239—242.

[5] 張美娟, 南海, 鞠忠強(qiáng), 等. 航空鑄造鈦合金及其成型技術(shù)發(fā)展[J]. 航空材料學(xué)報, 2016, 36(3): 13—19.ZHANG Mei-juan, NAN Hai, JU Zhong-qiang. Aeronautical Cast Ti Alloy and Forming Technology Development[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(3):13—19.

[6] MITCHELL A. Melting, Casting and Forging Problems in Titanium Alloys[J]. Materials Science and Engineering,1997, 49(6): 40—42.

[7] KLEPEISZ J, VEECK S. The Production of Large Structural Titanium Castings[J]. Journal of Metals, 1997,49(11): 18—20.

[8] 林才淵, 趙倩, 初冠南. 雙金屬復(fù)合管充液壓形成形研究[J]. 精密成形工程, 2018, 10(2): 38—44.LIN Cai-yuan, ZHAO Qian, CHU Guan-nan. Hydroforming for Bimetallic Composite Tube[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(2): 38—44.

[9] 鄒日榮, 李競操. 大型船用柴油機(jī)缸套的細(xì)長孔鑄造[J]. 中國鑄造裝配與技術(shù), 2003(5): 22—23.ZOU Ri-rong, LI Jing-cao. Casting of Cylinder Sleeves with Long and Thin Holes for Large Marine Diesel Engines[J]. China Foundry Machinery and Technology,2003(5): 22—23.

[10] WANG M Z, ZHANG X R, FAN X J, et al. Study on Forming Process of Copper/Steel Bimetal Composite Pipe[J]. Mechanical Management & Development, 2012,3(127): 52—53.

[11] HAJJARI E, DIVANDARI M, RAZAVI S H, et al.Intermetallic Compounds and Antiphase Domains in Al/Mg Compound Casting[J]. Intermetallics, 2012, 23(2):182—186.

[12] HAJJARI E, DIVANDARI M, RAZAVI S H, et al. Dissimilar Joining of Al/Mg Light Metals by Compound Casting Process[J]. Jounal of Material Science, 2011,46(20): 6491—6499.

[13] 謝華生, 楊洪濤, 趙軍, 等. 可熔金屬芯在金屬型鑄造Ti3Al基合金中的應(yīng)用[J]. 鑄造, 2001, 50(3): 134—137.XIE Hua-sheng, YANG Hong-tao, ZHAO Jun, et al.A Study on Melt-able Metal Core Process for Permanent Mould Casting of Ti3Al-based Alloy[J]. Foundry, 2001,50(3): 134—137.

[14] 李柱, 程序, 趙嘉琪, 等. ZTC4/TA2鈦合金雙金屬復(fù)合界面的研究[J]. 鑄造技術(shù), 2015, 36(8): 2045—2047.LI Zhu, CHENG Xu, ZHAO Jia-qi, et al. Study on Interfacial Properties of ZTC4/TA2 Titanium Alloy Bimetal[J].Foundry Technology, 2015, 36(8): 2045—2047.

[15] 郄喜望, 殷亞軍, 吳國清, 等. ZTC4鈦合金大型復(fù)雜鑄件組織及性能均勻性[J]. 精密成形工程, 2017,9(4): 85—89.QIE Xi-wang, YIN Ya-jun, WU Guo-qing, et al. Homogeneities of Microstructure and Mechanical Properties of Large Complex Castings of ZTC4 Titanium Alloy[J].Journal of Netshape Forming Engineering, 2017, 9(4):85—89.