型殼界面對鈦合金鑄件的影響

鈦與型殼界面相互作用是十分復(fù)雜的，其中既有鈦液對型殼的沖蝕、滲透和熱沖擊等機械作用，又有鈦和型殼成分間的熱擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等熱物理化學(xué)作用，而且機械作用與物理化學(xué)作用是相互交織在一起的。型殼內(nèi)表面由于鈦液的熱沖擊所引起的應(yīng)力集中而產(chǎn)生了一個剝離層，有時候這一剝離層以一定的強度附著于鑄件表面；鑄件表面則由于型殼中的鋯、氧等元素的熱擴(kuò)散而產(chǎn)生了一個表面污染層，該污染層的顯微硬度遠(yuǎn)高于鑄件基體的內(nèi)部。毫無疑問，鑄件表面稍微的粘砂缺陷是以上兩者共同作用的結(jié)果，但是這兩者之間具體的相互影響規(guī)律還有待于進(jìn)一步的深進(jìn)研究。

為了研究鈦和型殼界面相互作用規(guī)律，采取進(jìn)步金屬液澆注溫度等工藝措施來增加界面反應(yīng)。用掃描電鏡觀察鑄態(tài)表面，發(fā)現(xiàn)鑄件表面?zhèn)€別區(qū)域存在著稍微的粘砂缺陷，如圖2a所示。圖2b為鑄件表面的鋯成分像，可見鑄態(tài)表面含有一定濃度的鋯元素。且大體上呈現(xiàn)均勻分布，只是在粘砂顆粒四周鋯元素濃度偏高。對鑄件表面作能譜分析，所得到的鋯元素摩爾分?jǐn)?shù)分布為：粘砂顆粒處22%，粘砂顆粒四周0.78%,闊別粘砂顆粒處0.22%。由以上現(xiàn)象可以看出，鋯元素是以粘砂顆粒為源頭向四周進(jìn)行梯度擴(kuò)散的。a. 鑄態(tài)表面形貌　b. 鑄態(tài)表面鋯的成分像。進(jìn)而，又對鈦和型殼界面進(jìn)行了電子探針顯微分析。為了能夠直觀地研究界面反應(yīng)過程，在制取試樣時，特地將附著于鑄件表面的型殼表面剝離層保存了下來。3a為界面反應(yīng)區(qū)的背散射電子像，照片下側(cè)為金屬基體，上側(cè)為型殼表面剝離層。圖3b為平行于直界面方向上的鈦元素和鋯元素的線掃描曲線，其中位于上面的曲線為鈦的線掃描，下面為鋯元素的線掃描。Zr元素在平行于界面方向上的摩爾濃度分布并不是均勻的，而是存在著一定的波動，其基本規(guī)律為：與ZrO2(CaO)顆粒接觸的區(qū)域Zr的摩爾濃度高，反之，Zr的摩爾濃度低。

a. 界面背散射形貌　b. 平行于界面方向上的線掃描圖3　實際澆注反應(yīng)界面的EPMA分析試驗還借助能譜分析和顯微硬度分析，研究了鋯、氧元素濃度分布對界面反應(yīng)嚴(yán)重的鈦鑄件表面處顯微硬度的影響規(guī)律，如圖4所示。從圖中可見，鋯元素濃度由表及里逐漸降低，鋯的分布區(qū)域大約為30 μm。而且，顯微硬度分布曲線與鋯濃度分布曲線的形態(tài)對應(yīng)良好，因此污染層顯微硬度的增加是源于ZrO2分解出的Zr元素與O元素向鈦基體內(nèi)的熱擴(kuò)散而導(dǎo)致的固溶強化。

在氧化鋯陶瓷熔模型殼工藝中，鈦與型殼界面相互作用的主導(dǎo)方面是Zr,O元素向鈦基體內(nèi)的熱擴(kuò)散。試驗結(jié)果顯示，鑄件表面的Zr,O元素濃度并不是均勻分布的，而是根據(jù)與型殼表面的接觸狀態(tài)呈現(xiàn)出一定的波動?？梢酝茢啵?dāng)鈦基體內(nèi)的Zr,O元素濃度超過某一臨界值后，將會有新相產(chǎn)生，這必然使鑄件的表面質(zhì)量更加惡化。據(jù)此我們以為，凡是阻礙界面熱擴(kuò)散的因素都可以弱化界面處的化學(xué)反應(yīng)。其中一個較為關(guān)鍵的工藝參數(shù)就是型殼的預(yù)熱溫度。在保證充型能力以及型殼具有足夠的抗熱沖擊強度的條件下，適當(dāng)降低型殼預(yù)熱溫度可以大大減輕界面反應(yīng)。事實上，試驗中采用冷殼澆注獲得了相當(dāng)滿足的鑄件表面質(zhì)量。