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探討不同型殼材料條件下鈦合金顯微組織及界面反應
引言
由于鈦及其合金的加工難度大，初期應用的鈦制品都是鍛造加工件，加工余量大，金屬利用率低，生產(chǎn)成本高，極大地限制了它的應用范圍。為了改變這種狀態(tài)，世界上幾個工業(yè)發(fā)達國家，從20 世紀60 年代初開始研究鈦和鈦合金的鑄造技術，尤其是鈦和鈦合金的熔模精密鑄造技術[1-8]。
熔模精密鑄造工藝可鑄出形狀復雜、表面光潔的鈦合金精密鑄件并在航空航天工業(yè)及其他精密機械工業(yè)中已獲得廣泛的應用�，F(xiàn)在不但可以生產(chǎn)中小型鈦合金鑄件，而且還能鑄造大型整體薄壁鑄件，具有明顯的技術經(jīng)濟優(yōu)勢。由于鈦和鈦合金的高化學活性，要與空氣中的氫、氧和氮發(fā)生劇烈化學反應，要與常用的耐火材料發(fā)生化學反應。鈦和鈦合金的鑄造技術，特別是熔模精鑄技術比鋁和鋼難度大得多，需要借助于高科技手段才能實現(xiàn)。到目前為止，世界上掌握鈦合金鑄造技術的，只有美國、德國、中國、日本和前蘇聯(lián)等少數(shù)國家[1-7]。
目前普遍使用的型殼材料是氧化釔、氧化鋯和鋯溶膠、釔溶膠等材料，采用這些材料制備的鈦合金鑄件表面質量優(yōu)良，但生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)成本昂貴。因此，尋找一種廉價的、與鈦合金熔體反應較小的型殼材料，并且生產(chǎn)工藝簡單的熔模精密鑄造工藝是進一步降低鈦合金熔模精密鑄造工藝成本的重要途徑之一。
1 實驗材料與實驗方法
1.1 材料的選擇
本文選取了3 種典型鈦合金進行合金的澆注：BT20(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)鈦合金， TC4合金，TA2 合金。這3 種合金的名義化學成分見表1。
本實驗所選取的蠟料是WM114 蠟料，熔點70～80 ℃，使用溫度50～60 ℃，收縮率為0.6％～0.8 ％，灰分較少。氧化物陶瓷型殼材料選擇ZrO2 以及低成本的剛玉作為相互比較的型殼材料，與上述3 種鈦合金組合進行實驗。
1.2 實驗方法
采用自制的模具進行蠟模的制備，蠟模尺寸為φ8 mm×40 mm所示。
熔煉所用的原材料為φ25 mm 的棒材，制成φ25 mm×14 mm 的合金塊，質量約30 g。合金的熔煉采用LZ5 型離心鑄鈦機。由于LZ5 型離心鑄鈦機需要型殼具有固定的形狀與尺寸，因此在背層型殼涂掛到一定厚度時用自制包埋料進行包埋，脫蠟焙燒后進行澆注。為焙燒后的型殼及澆注出的試樣。表2 為熔煉的工藝參數(shù)。
采用電火花線切割制備試樣。用來觀察顯微組織的試樣用金相砂紙從200#磨到1200#，拋光液為三氧化二鉻水溶液，腐蝕液為8% HF+15% HNO3+77% H2O(摩爾分數(shù))。利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡分別對試樣進行顯微組織觀察和線掃描分析。
2 實驗結果及討論
2.1 顯微組織觀察
是TA2 合金試樣中部金相顯微組織照片。由圖可見：無論是以Al2O3 還是ZrO2 為型殼材料，TA2 合金的組織都以針狀α 組織為主，未發(fā)現(xiàn)明顯β 組織，2 種型殼材料得到的合金中央組織都比較細��；但相比較之下，以ZrO2 為型殼材料的合金組織要稍好一些，它的組織要更為細小，以Al2O3 為型殼材料的合金組織中有明顯的粗晶。
為TC4 合金試樣中部金相顯微組織照片。以Al2O3 為型殼材料的合金組織要比ZrO2為型殼材料的合金組織明顯粗大許多。由于TC4 合金中含有一定數(shù)量的β 相穩(wěn)定元素V，從粉料為ZrO2 的金相照片中可以看到，組織中α 相和β 相相混合，其中片狀α 相的取向多，群體數(shù)目多，組織細小，說明其組織為籃網(wǎng)狀魏氏組織。之所以形成魏氏組織，主要是合金從β 相區(qū)冷卻時，由于β→α 轉變溫度高，相應的α 相的長大速度快但生核速度較低，大多數(shù)在原始β 晶界開始生核并沿晶界生長，形成晶界α。隨后α 相由晶界向晶內呈集束狀擴展，直到相互接觸為止。由于澆鑄的試樣比較小，合金冷卻速度快，α 相不僅在晶界生核，同時在β 晶粒內也可以獨立生核，使α 群體數(shù)目增多，組織細化，形成籃網(wǎng)狀魏氏組織。在粉料為Al2O3 的TC4 合金中，發(fā)現(xiàn)組織主要為α 組織，伴隨有少許的初生β 相粗晶，這與合金的冷卻速度不夠快，α 相未能及時形核有關。
為BT20 合金試樣中部金相顯微組織照片。當粉料為Al2O3 時，試樣組織粗大，針狀組織數(shù)量少；而以ZrO2 為粉料的BT20 合金試樣，基本上為細小的針狀α 組織。從前面分析可以看出，當粉料為ZrO2 時，TA2 合金、TC4 合金以及BT20 合金的顯微組織要比粉料為Al2O3 時的細小，這可能是由于以ZrO2 為粉料時型殼的導熱性好，晶粒來不及長大，所以組織細小。
2.2 鈦合金與型殼界面反應層的線掃描分析
鈦及鈦合金在高溫熔融狀態(tài)下的化學反應性十分活潑，這使得鈦及鈦合金與氧化物陶瓷型殼之間都有不同程度的化學反應，并在鑄件表面形成污染層，造成對鑄件表面及內部質量的影響，因此，對鈦及鈦合金熔體與型殼的界面相互作用的研究具有很大的實際意義。本文采用電子探針微區(qū)分析(EPMA)，對不同類型鈦合金與不同型殼材料的反應進行了界面反應測試與分析，得到各元素在型殼與鈦合金組織反應層中的分布情況。
是TA2 合金與不同型殼材料反應的界面線掃描照片。由可以看出，Si 元素在2 種不同粉料得到的TA2 合金中，是作為SiO2 小顆粒黏著在試樣表面而引入的，沒觀察到Si 元素的擴散，存在僅限于表面上附著的型殼殘余部分內。至于Al 元素在粉料為Al2O3 的合金中，則擴散得很深入，約30～40 μm。值得注意的是，粉料中Al 元素的濃度梯度不大，擴散層的分界線不那么明顯。
O 元素在這2 種以不同粉料制備的同種合金中，分布情況有很大的不同：在粉料為Al2O3的合金中，O 有著約20 μm 的擴散距離；而在以ZrO2 為粉料的合金里，O 與Si、Al 在局部區(qū)域(合金表面的型殼殘余附著層)有著近乎同步的分布規(guī)律，這表明O 被牢牢的束縛在SiO2與Al2O3 的化學鍵內，沒有進行擴散或者沒有觀察到擴散。
是TC4 合金與不同型殼材料反應的界面線掃描照片�？梢钥吹剑琕 在2 個試樣中的分布都未曾受到型殼與液態(tài)金屬反應的影響，它的2 條分布曲線都比較平穩(wěn)。
Al 元素在以Al2O3 為粉料的合金里，仍舊有著不小的擴散距離；而在ZrO2 作為粉料的合金中，Al 元素只是作為合金的成分，分布曲線很平穩(wěn)。
值得注意的是，在Al2O3 為粉料的合金里，出現(xiàn)Si 的擴散現(xiàn)象，而沒有相應的O 元素的同步的曲線分布，故可以認為，在此發(fā)生了典型的包含Si 元素的界面反應。
是型殼材料分別為剛玉和ZrO2，澆注合金為BT20 產(chǎn)生的界面反應的線掃描分析照片�？梢钥闯觯诜哿蠟锳l2O3 的合金里，可明顯看出Al2O3 顆粒附著在試樣的表面，Al元素依舊擴散30～40 μm，而且還有Si 的擴散現(xiàn)象發(fā)生。Zr 元素在以ZrO2 為粉料的合金里，擴散距離不大于20 μm。
3 結論
1）型殼材料的選擇對合金組織形態(tài)有很大的影響。Al2O3 和ZrO2 粉料對TA2 合金引起的組織形態(tài)上的差別不是很大，以ZrO2 為粉料制得的實驗組織比Al2O3 的稍微好一些；而對于另外2 種合金B(yǎng)T20 與TC4 合金，這種差異要顯著得多。
2）從反應界面的線掃描分析中可以得出：ZrO2 作為型殼材料要比Al2O3 穩(wěn)定，等溫情況下Zr 元素在同種鈦合金的擴散距離約為Al 的1/3，所有的以Al2O3 為粉料的試樣都發(fā)生了明顯的Al 元素的擴散現(xiàn)象，只有部分以ZrO2 為粉料的試樣（BT20）發(fā)生了Zr 的擴散現(xiàn)象，且不十分明顯。
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