鈦合金熔模精鑄技術(shù)是為適應(yīng)宇航工業(yè)的需要而發(fā)展起來的，已在宇航鈦合金構(gòu)件以及民用鈦結(jié)構(gòu)制造中得到廣泛應(yīng)用。實踐證明，鈦合金熔模精鑄技術(shù)已經(jīng)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(yīng)用，對其質(zhì)量和實用性要求越來越嚴，此外，成本的高低也是限制其應(yīng)用前景的一個重要指標。石墨型雖成本低但鑄件表面質(zhì)量較差，同時不適于生產(chǎn)薄壁復(fù)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(zhì)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(chǎn)復(fù)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?zāi)Ｖ黧w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?zāi)＝M。

表1　鈦精鑄用模料的性能
Table1　Waxes used for making shells

　　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(jié)劑，膠的尺寸與耐火材料相匹配，應(yīng)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ZrO₂^．SiO₂的鋯英砂。結(jié)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(jié)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(jié)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(wěn)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(zhì)，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(jīng)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(jié)劑，耐火材料粉。背漿也需連續(xù)攪拌2h以上，經(jīng)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(shè)備為大內(nèi)腔尺寸，1500W可調(diào)強度的微波爐。
　　焙燒工藝：經(jīng)過脫蠟的型殼在不需氣體保護的焙燒爐中焙燒。在所有的制殼工藝參數(shù)中，對型殼質(zhì)量并最終對鑄件質(zhì)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(shù)^［7］，本研究針對實驗室現(xiàn)有設(shè)備對上述參數(shù)進行了深入的研究并優(yōu)化選擇。

2　主要制殼工藝參數(shù)的優(yōu)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(jié)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?。ǎ?.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(chǎn)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(yīng)控制在5.0∶1～6.0∶1之間。

表2　粉液比對涂料性能的影響
Table2　Effects of solid/liquid ratios on the properties of coating

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(xù)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
Fig.1　Effects of S/L ratios on the remain flexural of
surface coats baked at different temperatures

　　結(jié)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ZrO₂在1100℃附近發(fā)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(wěn)定，能量提高，活性提高，所以在實際生產(chǎn)中應(yīng)避開這一焙燒溫度。在經(jīng)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(nèi)部缺陷略有增加，從而影響其強度。由表2和圖1的結(jié)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(shù)的優(yōu)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(guān)系如圖2。

圖2　微波強度與脫蠟時間的關(guān)系
(a) 內(nèi)表面完好;(b) 內(nèi)表面有微裂紋
Fig.2　Effects of different microwave intensities on dewaxing time
(a) no crack;(b) have cracks

　　圖中a區(qū)，即微波強度小于70％時，脫蠟后型殼內(nèi)部表面光潔，很少有殘蠟，并無可見裂紋。當(dāng)微波強度過大時(b區(qū))，脫蠟后型殼雖整體完好，但內(nèi)面層有少量裂紋，隨微波強度增加裂紋的數(shù)量也增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是因為加熱速度過快，由于內(nèi)外層熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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(jīng)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(zhì)量分析

3.1　熔煉及澆注

　　由于鈦合金熔點高、化學(xué)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(yīng)爐進行熔煉和澆注，其主要工藝參數(shù)如表3。采用Ti-6Al-4V合金，所鑄造的為一種航空航天構(gòu)件，尺寸為150mm×100mm，厚度2.5mm，型殼預(yù)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(shù)
Table3　Main melting parameters of Ti alloy

圖3　鈦合金鑄件
Fig 3. A casting of titanium alloy

3.2　鑄件表面質(zhì)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，ZrO₂和Ti₂O，產(chǎn)生Ti₂O的原因是在高溫下ZrO₂與Ti發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

ZrO₂+Ti=Zr+TiO_x+O_y

Zr和O向鈦鑄件中擴散，構(gòu)成了反應(yīng)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(jié)果如圖4所示。鑄件中鋯的反應(yīng)深度為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
Fig.4　Distribution of Zr　(a) Microstructure;(b) Linear;(c) Planar

4　結(jié)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(jié)劑，研究了一種經(jīng)濟有效的適合鈦鑄造的熔模精密鑄造制殼工藝。
　　(2) 系統(tǒng)地研究了粉液比、焙燒溫度、微波脫蠟時間等工藝參數(shù)對涂料性能和型殼性能的影響，從而確定了最佳工藝參數(shù)。
　　(3) 采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)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(yīng)層厚度為25～50μm。