本文研究了氧化物陶瓷型殼制殼工藝用于鈦熔模精鑄的相關內容。

　　鈦合金熔模精鑄技術是為適應宇航工業的需要而發展起來的，已在宇航鈦合金構件以及民用鈦結構制造中得到廣泛應用。實踐證明，鈦合金熔模精鑄技術已經成為幾種近無余量成形工藝中取得成效最大的一種工藝[1～3]。隨著鈦合金鑄件的廣泛應用，對其質量和實用性要求越來越嚴，此外，成本的高低也是限制其應用前景的一個重要指標。石墨型雖成本低但鑄件表面質量較差，同時不適于生產薄壁復雜件[4]，而用難熔金屬面層或氧化釔面層陶瓷型殼可以澆注出高質量的鈦鑄件，但成本卻很高 [5，6] 。為此研究了一種成本較低、適合于生產復雜薄壁件的用于鈦合金氧化物陶瓷型熔模精鑄的新型制殼工藝。

　　1實驗材料及實驗方法

　　1.1主要制殼材料

　　模料：所選模料的性能如表1所示。蠟模主體采用專門用于鑄鈦的進口蠟料，澆口部分采用成本較低、性能也能達到要求的自制蠟料，分別壓制成型后，焊合成蠟模組。

表 1鈦精鑄用模料的性能

　　面層及鄰面層漿料：耐火材料的主要成分為二氧化鋯，尺寸為30μm以下。采用有機鋯溶膠作為粘結劑，膠的尺寸與耐火材料相匹配，應為10～15nm。

　　面層及鄰面層撒砂：面層采用主要成分為二氧化鋯砂，尺寸為150～300μm。為降低成本，鄰面層采用主要成分為ZrO 2 . SiO 2 的鋯英砂。結果表明，在鑄件中未見到Si元素的擴散，所以采用鋯英砂是可行的。

　　背層制殼材料：采用硅溶膠作為粘結劑，采用莫萊石粉和砂作為耐火材料。

　　1.2制殼方法

　　面漿的加料順序依次為粘結劑、耐火材料粉、微量添加劑。微量添加劑的作用是提高涂料的穩定性，提高與模料的潤濕性等，并能防止干燥之后的面層遇水回溶，所選用的微添加劑為有機物質，能在高溫焙燒過程中除去。面漿需在室溫(約20℃)在空氣中攪拌2h以上，后經1h的回性即可使用。

　　鄰面漿與面漿原料相同，制作過程也相同，只是濃度略小。背漿的加料順序為粘結劑，耐火材料粉。背漿也需連續攪拌2h以上，經回性后方可使用。背層視鑄件大小，一般需涂掛4～9層。

　　干燥工藝：面層及鄰面層的干燥時間均為24h，溫度為20℃，相對濕度不小于60%，背層的干燥時間為不小于4h，其它條件與面層相同。

　　脫蠟工藝：采用微波脫蠟，所用的設備為大內腔尺寸，1500W可調強度的微波爐。

　　焙燒工藝：經過脫蠟的型殼在不需氣體保護的焙燒爐中焙燒。

　　2主要制殼工藝參數的優化選擇

　　在所有的制殼工藝參數中，對型殼質量并最終對鑄件質量影響較大的有：面漿的成分，即粉液比，脫蠟及焙燒工藝參數 [7] ，本研究針對實驗室現有設備對上述參數進行了深入的研究并優化選擇。

　　2.1粉液比對面層涂層厚度和懸浮率的影響

　　粉液比對面層涂層厚度和涂料的懸浮率的影響見表2。結果表明面漿粉液比越大，面層涂料的厚度越大，涂料的懸浮性越好。一般認為如果面層涂料過薄(<0.2mm),則型殼表面將受到撒砂的影響，粗糙度提高。如果涂料過厚(>0.6mm)，則涂料流動性差，易堆積，在干燥或焙燒過程中易產生裂紋 [7] ，這一點在本研究中也得到了證實，因此在本研究中的粉液比應控制在5.0∶1～6.0∶1之間。

表 2粉液比對涂料性能的影響

　　2.2粉液比及型殼焙燒溫度對室溫及高溫殘余強度的影響

　　粉液比對室溫及高溫殘余強度的影響如圖1所示。強度試樣是由5層面漿與面砂組成，每層干燥24h，連續涂掛，焙燒4h。所測試的強度為抗彎強度。

圖 1粉液比對面層殘余強度的影響

　　結果表明，粉液比提高，型殼試樣抗彎強度提高。焙燒溫度提高，抗彎強度也隨其提高。由于ZrO 2 在1100℃附近發生相變，所以在此溫度附近強度提高不顯著，但由于相變過程中，晶格排列不穩定，能量提高，活性提高，所以在實際生產中應避開這一焙燒溫度。在經1200℃焙燒之后，高粉液比涂料(6.5∶1)強度略有降低的原因是：由于涂層過厚，在高溫焙燒過程中內部缺陷略有增加，從而影響其強度。由表2和圖1的結果表明，面層材料的粉液比的最佳值為5.5∶1。而焙燒溫度最好在1200℃左右，但對于小件焙燒溫度也可定在1000～1050℃左右。

　　2.3脫蠟工藝參數的優化選擇

　　對于本研究鑄造的150mm×100mm鏟形鑄件，其厚度為2.5mm，在微波脫蠟過程中，微波強度與脫蠟時間的關系如圖2。

圖 2微波強度與脫蠟時間的關系

(a) 內表面完好;(b) 內表面有微裂紋

　　圖中a區，即微波強度小于70%時，脫蠟后型殼內部表面光潔，很少有殘蠟，并無可見裂紋。當微波強度過大時(b區)，脫蠟后型殼雖整體完好，但內面層有少量裂紋，隨微波強度增加裂紋的數量也增加，產生這種現象的原因可能是因為加熱速度過快，由于內外層熱膨脹系數不同而產生的內應力來不及松弛。因此本研究采用的微波強度為50%，脫蠟時間大約8min。經過其它實驗表明，此脫蠟工藝不僅適用于本研究的鏟形件，同樣適用于其它形狀和尺寸的零件。

　　3 熔煉、澆注及鑄件表面質量分析

　　3.1熔煉及澆注

　　由于鈦合金熔點高、化學活性強，熔煉與澆注必須在真空或惰性氣體保護下進行。本實驗采用水冷銅坩堝真空感應爐進行熔煉和澆注，其主要工藝參數如表3。采用Ti-6Al-4V合金，所鑄造的為一種航空航天構件，尺寸為150mm×100mm，厚度2.5mm，型殼預熱溫度300℃，重力澆注，澆注后型殼完好，沒有開裂，清理后的鑄件如圖3所示。

表 3鈦合金主要熔煉參數

圖 3鈦合金鑄件

　　3.2鑄件表面質量分析

　　所鑄鑄件表面呈銀白色，鑄件輪廓清晰，表面無流痕和冷隔。表面粗糙度Ra6.3μm。

　　對鑄件進行X光衍射分析表明，鑄件表面有Ti，ZrO 2 和Ti 2 O，產生Ti 2 O的原因是在高溫下ZrO 2 與Ti發生反應，反應方程式如下：

　　ZrO 2 +Ti=Zr+TiO x +O y

　　Zr和O向鈦鑄件中擴散，構成了反應層。

　　對鑄件截面進行電子探針檢測，測量鋯截面的線分布和面分布，其結果如圖4所示。鑄件中鋯的反應深度為25～50μm。

　　4結論

　　(1) 采用主要成分為二氧化鋯的砂和粉作為耐火材料，采用有機鋯溶膠作為粘結劑，研究了一種經濟有效的適合鈦鑄造的熔模精密鑄造制殼工藝。

　　(2) 系統地研究了粉液比、焙燒溫度、微波脫蠟時間等工藝參數對涂料性能和型殼性能的影響，從而確定了最佳工藝參數。

　　(3) 采用水冷銅坩堝真空感應爐鑄造出了完整清晰的航天用鏟形件，鑄件的外形尺寸為150mm×100mm，厚度為2.5mm。鑄件表面粗糙度Ra=6.3μm，反應層厚度為25～50μm。

圖 4鋯的線分布和面分布探針照片

　　(a) 鑄件顯微組織;(b) 線分布;(c) 面分布