含細長孔ZTC4/TA2鈦合金鑄件界面熔合效果研究

張美娟，郄喜望，南海，吳國清

（1. 中國航發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. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095；4. 北京航空航天大學，北京 100083）

現代航空器形體和結構都很復雜，其壁部要制成夾層帶有異型空腔的薄壁結構，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]。在航空航天領域，常采用型芯法制備含有細長孔的鈦合金精密鑄件，但當鑄件中的細長孔道為異形、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難點，鑄件存在由于無法脫除型芯或脫芯后鑄件內腔表面光潔度低，導致的報廢問題。采用鑲鑄技術可一次成型鑄件復雜內腔，無需型芯脫除工序，可解決該類問題。目前這種技術在鑄銅件、鑄鋼件的制造中應用較多[8—12]。謝華生等[13]采用鑲鑄技術研制出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孔鑄件的研制為背景，探索利用鑲鑄法制備鈦合金精密細孔鑄件的可行性，分析鑲鑄比對鑄件界面熔合率的影響規律，為航空發動機及機體構件用鈦合金精密復雜鑄件的研制提供技術依據。

1 試驗材料與方法

鑄件由母體和管體構成，見圖1。設計鑄件長為140 mm，內徑為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，設計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復合的方式制備，并用離心方式進行澆注，其中澆注工藝參數為：型殼預熱溫度 150 ℃，離心轉速400 r/min，電流7000 A。利用光學顯微鏡進行鑄件試樣橫截面微觀結構觀察，統計界面熔合率（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構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 試驗結果與分析

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的鑄件進行X射線無損檢測，結果見圖2。其中鑲鑄比為23∶1和15∶1的試樣，內部細長孔道消失，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逐漸被壓合的現象，在被壓合的管體兩側有大量氣孔和縮孔，在壓合處出現管體組織包裹母體組織的現象（見圖2b），這說明在澆注過程中由于鑲鑄比較大，管體被熔透。當鑲鑄比低于 12∶1時，內部管體局部發生彎曲，但鑄件中的管體仍能保持完整形態（見圖2c）。當鑲鑄比低于10∶1時，內部管體未發生變形。因而，基于本實驗條件，對于使用酸洗減薄純鈦管的鑄件，當鑲鑄比超過15∶1，管體壁厚小于0.56 mm時，管體即會發生熔透現象，無法形成有細長孔的鈦合金鑄件。

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域進行成分分析可知，未熔合區域氧元素含量偏高，這主要是由于在酸洗減薄管體壁厚時，TA2管體表面被侵蝕，發生氧化反應，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，應對酸洗減薄壁厚的管體表面進行超聲清洗或堿洗。

圖2 鑄件X射線無損檢測結果及宏觀形貌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/管體界面均出現互熔現象，隨著鑲鑄比增加，界面互熔區域寬度加大，鑲鑄比較大時有利于界面Al元素擴散[14]，進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片層狀結構[15]。鑄件的界面由熔合區和未熔合區構成，未熔合區母體和管體之間存在縫隙。熔合區 TA2鑲嵌管體表面發生了部分熔化，元素從母體向管體擴散，使管體與母體之間的界面冶金結合，并形成細小片狀α相魏氏體結構組成[14]。

當鑲鑄件外徑為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未熔合區域。當鑲鑄增加比至8∶1時，母體/管體界面片狀α相增多，未熔合區域減少。因而對于壁厚為5 mm含細長孔的薄壁鈦合金鑄件，當鑲鑄比大于8∶1時，鑄件熔合率超過80%。較高的熔合率有利于提高含細長孔鈦合金鑄件的強度，并增強鑲鑄界面穩定性，更適合實際使用時對薄壁含細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片層狀結構。鑲鑄界面可分為未熔合區和熔合區，未熔合區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。對于本實驗條件，當鑲鑄比大于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整鑲鑄比，對于本實驗條件，當鑲鑄比高于12∶1時管體發生彎曲，當鑲鑄比高于15∶1時，管體被壓合并發生熔透現象。

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