鈦合金熔模鑄造技術(shù)

王金龍

摘 要：為了保證熔模類型鑄造工藝在加工鈦合金材料時(shí)候有良好質(zhì)量，應(yīng)認(rèn)識到鈦合金材料的特點(diǎn)以及熔模類型鑄造技術(shù)使用階段的關(guān)鍵，結(jié)合實(shí)際工況，制定熔模類型鑄造工藝使用方案。本文就鈦合金材料熔模類型鑄造工藝進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鈦合金；鑄造；熔模

在當(dāng)代材料領(lǐng)域研究不斷深入的條件下，越來越多的優(yōu)質(zhì)材料被運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域中，在相應(yīng)材料良好性能的推動下，使相應(yīng)領(lǐng)域有更好的發(fā)展。而在眾多新型材料中，鈦合金材料的性能顯得尤為突出，并且有通過熔模類型鑄造技術(shù)的運(yùn)用，使得鈦合金材料的應(yīng)用質(zhì)量得到了進(jìn)一步的提升。

1 鈦合金材料以及熔模類型鑄造技術(shù)概述

在諸多尖端領(lǐng)域中鈦合金材料已經(jīng)成為了關(guān)鍵性的材料，這種材料具有耐腐蝕性良好、實(shí)際強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在現(xiàn)代航天領(lǐng)域中被當(dāng)做結(jié)構(gòu)材料使用。而且由于這種材料所具備的杰出性能，使得這種材料的應(yīng)用得到了眾多領(lǐng)域的重視。

而在鈦合金材料應(yīng)用階段中，人們開發(fā)出了多種類型的使用技術(shù)，而熔模類型的鑄造技術(shù)則是其中較為優(yōu)質(zhì)的處理技術(shù)，在使用這種技術(shù)進(jìn)行鈦合金材料加工的時(shí)候，能保證鑄件的表面有良好的粗糙度，同時(shí)還能對鑄件的實(shí)際的尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，和其類型鈦合金材料加工技術(shù)，這種熔模類型的加工技術(shù)還具有原材料利用率高的特點(diǎn)，通常原材料利用率能打得到百分之75到百分之90之間，進(jìn)一步的控制了加工成本。而在當(dāng)代科技的推動下，也讓熔模類型鑄造技術(shù)有了進(jìn)一步的進(jìn)步，尤其是在熱等靜壓類型技術(shù)出現(xiàn)之后，使得熔模類型鑄造技術(shù)本身存在的缺陷得到了克服，使得鈦合金材料鑄件在其力學(xué)性能方面以及使用穩(wěn)定性方面有了顯著提升。

從鈦合金材料的材料性質(zhì)方面來看，這種材料有較高的化學(xué)活性，在溫度較高狀況下，鈦合金材料可以和各種類型氣體以及耐火材料發(fā)生反應(yīng)，使得熔體的質(zhì)量降低，這也就導(dǎo)致在進(jìn)行鈦合金材料加工的階段中，要能做好型殼材料的選擇以及熔煉工藝的選擇。

2 造型材料分析

2.1 加工粘結(jié)劑

在使用熔模類型鑄造技術(shù)進(jìn)行鈦合金材料加工的階段中，粘結(jié)劑是該過程中關(guān)鍵性的材料，粘結(jié)劑的使用會對型殼以及鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且粘結(jié)劑的使用情況還會對熔模類型鑄造技術(shù)的運(yùn)用產(chǎn)生影響，使得鑄造生產(chǎn)的周期以及成本難以控制在規(guī)定范圍內(nèi)。在經(jīng)過了鑄型焙燒處理之后，粘結(jié)劑材料所轉(zhuǎn)化成的物質(zhì)對于熔融鈦具有良好的穩(wěn)定性。水玻璃材料、硅酸乙酯等類型的粘結(jié)劑材料只能被用型殼結(jié)構(gòu)背層的鑄造中，而對于面層架構(gòu)的鑄造而言，需要能在煅燒操作之后生成比二氧化硅更加穩(wěn)定的氧化物作為粘結(jié)劑。

選擇型殼結(jié)構(gòu)面層粘接劑材料的時(shí)候，要能注意材料所具有的惰性，在使用熔模類型鑄造工藝進(jìn)行鈦合金材料加工的時(shí)候，能被用作粘接劑的主要有碳質(zhì)類型粘接劑以及氧化物類型粘接劑兩種類型。而在實(shí)際的鈦合金材料熔模處理過程中，主要的粘接劑主要是合成樹脂材料、合脂材料，在一些加工中還會使用糊精材料、瀝青材料或者是偶淀粉材料。而氧化物類型的粘結(jié)劑材料主要包含了二醋酸鋯、碳酸鋯銨或者是硝酸鋯材料，其中二醋酸鋯材料是在進(jìn)行鈦合金材料精加工階段關(guān)鍵性的粘接劑材料。也正由于二醋酸鋯材料有良好的性能，所在難熔類型金屬表面層加工，還是在惰性類型氧化物面層加工中，都能將這種材料當(dāng)做粘接劑使用。但這種二醋酸鋯材料還存在著價(jià)格偏高的特點(diǎn)，所以在實(shí)際的鈦合金材料加工中，有時(shí)還會使用價(jià)格較低硅溶膠材料改性處理后產(chǎn)物進(jìn)行鈦合金材料加工。

2.2 耐火材料選擇

會對鑄件最終質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素較多，而金屬材料和鑄件相交界面發(fā)生的相互作用則是其中之一。熔融狀態(tài)下的鈦合金材料具有較高的化學(xué)活性，基本上可以與各種類型的耐火材料進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)之后就會導(dǎo)致鑄件表面產(chǎn)生污染層，給鑄件的外觀造成較為嚴(yán)重的影響。

此外，鈦鑄件的其他幾種主要缺陷也都和熔融鈦與鑄型的相互作用有關(guān)。因此，面層耐火材料的選擇非常關(guān)鍵。目前所使用的面層耐火材料大體可分為以下四大類：碳質(zhì)耐火材料、氧化物陶瓷材料、金屬材料及其它材料。

用于鈦合金鑄造的碳質(zhì)耐火材料主要是指人造石墨，其性能在很大程度上取決于原材料和制備工藝。人造石墨是以石油焦、炭墨、瀝青焦為主要原料，在2600～3000℃高溫下煅燒而成的。人造石墨在真空下耐火度高，熱膨脹系數(shù)小，強(qiáng)度隨溫度升高而有所提高，對熔融鈦合金有一定的惰性，石墨與液鈦在較低溫度下反應(yīng)很弱，只在鑄件表面發(fā)生輕微的滲碳現(xiàn)象，形成滲碳層。但是人造石墨作為耐火材料存在一定的缺點(diǎn)，易氧化，必須工作于真空、還原性氣體氣氛或惰性氣體氣氛下；吸咐氣體能力強(qiáng)，石墨砂吸附氣體的能力是同牌號石墨塊的10倍；熱導(dǎo)率高，僅次于鋁、銅，易使鑄件表面出現(xiàn)微裂紋。

3 鈦合金的熔煉

3.1 外熱式熔煉法

外熱式熔煉方法根據(jù)熔煉時(shí)熱量來源不同，又可分為自耗電極電弧爐熔煉、非自耗電極電弧爐熔煉、電子束爐、等離子弧爐等幾種，其中能量發(fā)生器分別為自耗電極、非自耗電極、電子槍、等離子弧炬等。能量發(fā)生器產(chǎn)生的能量使金屬熔化并過熱，金屬熔體只是在表面被加熱，熱量通過熱傳導(dǎo)和對流傳到熔體深處。因此熔體表面溫度較高，由表面到深處存在一定的溫度梯度，導(dǎo)致熔池較淺。目前使用最廣泛的是自耗電極電弧爐熔煉法，此種方法以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽極；熔化了的電極以液滴形式進(jìn)入坩堝，形成熔池；熔池表面被電弧加熱，始終呈液態(tài)，底部和坩堝接觸的四周受到強(qiáng)制冷卻，產(chǎn)生自下而上的結(jié)晶。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、維持費(fèi)用低、大型化容易等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是澆注溫度難以調(diào)節(jié)和控制，金屬過熱度不高，使得熔體流動性和補(bǔ)縮能力較差，并且廢料難以回收。

3.2 內(nèi)熱式熔煉法

電磁冷坩堝技術(shù)是將分瓣的水冷銅坩堝置于交變電磁場內(nèi)，利用交變電磁場產(chǎn)生的渦流熱熔化金屬，并依靠電磁力使金屬熔體與坩堝壁保持軟接觸或者非接觸狀態(tài)，并對爐料進(jìn)行感應(yīng)熔煉或者成形的技術(shù)。電磁冷坩堝技術(shù)是近幾年興起的新技術(shù)，它充分利用了電磁場和金屬相互作用的熱效應(yīng)和力效應(yīng)。

4 結(jié)束語

鈦合金鑄件的生產(chǎn)成本限制了它在航空航天工業(yè)上的應(yīng)用，因此鈦合金的發(fā)展將主要放在如何降低成本上，造型材料和真空熔煉是生產(chǎn)中的高成本環(huán)節(jié)，應(yīng)進(jìn)一步加大此方面的研究。

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