鈦合金人工關(guān)節(jié)體精密鑄造及無損檢測*

王 微， 尹春艷， 俞 蓓， 張帥謀， 李小城

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院,航空與材料學院, 安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

熔模精密鑄造是制備精密部件如航空航天零件、汽車零部件、精密儀器零件、醫(yī)療器械零件等的常用加工方法，它是一種近凈成形工藝，具有表面精度高、成形質(zhì)量好、后處理工序少，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件上具有明顯優(yōu)勢[1-3]。鈦合金、高溫合金、鋁合金等是熔模精密鑄造的首選金屬材料體系[4]，其中鈦合金由于質(zhì)量輕、與人體生物相容性較好，在醫(yī)學領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[5-6]。精密鑄造件在制造過程中，由于各種原因可能產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，如氣孔、裂紋、夾雜、疏松、縮孔等缺陷[7-9]，常常需要借助多種檢測手段進行鑄件質(zhì)量檢測。無損檢測是常用的檢測手段之一，這種檢測方法可以在不破壞零件結(jié)構(gòu)的情況下，直接對零件的內(nèi)部缺陷進行檢測，在工廠生產(chǎn)中較為常見[10-11]。X射線檢測是目前常用的無損檢測手段之一，在檢測體積性缺陷方面如孔隙、氣孔等尤其有效[12]。

文章采用熔模精密鑄造方法制備鈦合金人工關(guān)節(jié)體，借助X射線無損檢測對鑄件內(nèi)部缺陷金相檢測，研究不同離心澆注工藝方案對鑄件內(nèi)部缺陷的。

1 實驗與檢測方法

使用水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉爐(SIM，德國ALD)熔煉Ti12Nb12Zr2Mo合金。關(guān)節(jié)體熔模精密鑄造采用的蠟?zāi)２牧蠟镵512中溫蠟，型殼為氧化鋯陶瓷，澆注溫度為1750℃，澆注保溫5min，并使鑄型在離心力作用下旋轉(zhuǎn)使金屬液充型。熔模鑄造過程如圖1所示。

采用X射線無損檢測的方法檢測鑄件內(nèi)部缺陷。使用X射線膠片成像技術(shù)(哈爾濱焊接研究所測試)，對鑄件進行檢測。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 熔模鑄造工藝方案

圖2為關(guān)節(jié)體三維結(jié)構(gòu)示意圖。上關(guān)節(jié)體鑄件壁厚分布不均勻，整體結(jié)構(gòu)對稱，曲面和孔特征較多，因此在過渡部位較易形成熱節(jié)，進而在澆注過程中產(chǎn)生縮孔等鑄造缺陷。關(guān)節(jié)體零件壁厚不均勻，在鑄造過程中不遵循順序凝固原則，較易產(chǎn)生缺陷。針對零件結(jié)構(gòu)特點，為了提高金屬液的充型和補縮能力，文章采用兩種離心澆注工藝方案如圖3所示，以期找到較合適的澆注工藝，改善鑄件質(zhì)量。方案1離心澆注半徑為230mm，方案2離心澆注半徑為250mm。

圖1 關(guān)節(jié)體精密鑄造工藝流程

圖2 關(guān)節(jié)體結(jié)構(gòu)三維圖示

圖3 關(guān)節(jié)體精鑄澆注方案

2.2 X射線無損檢測

根據(jù)關(guān)節(jié)體鑄件結(jié)構(gòu)特點，選取熱節(jié)部位和可能產(chǎn)生缺陷的位置進行無損檢測。圖4是所制備出的零件以及具體的檢測位置，可以看出采用熔模精密鑄造制備的零件外觀結(jié)構(gòu)完整，表面質(zhì)量較高。

圖4 無損檢測位置

圖5是采用X射線技術(shù)對兩種澆注工藝得到的鑄件進行內(nèi)部缺陷無損檢測的結(jié)果。由圖可以看出，總體上兩種澆注方案的鑄件都有收縮缺陷，方案1中三個部位產(chǎn)生了縮孔如圖5(a)所示，方案2中兩個部位產(chǎn)生了縮孔如圖5(b)所示。產(chǎn)生缺陷的部位大致相同，均為所分析的熱節(jié)部位。

從圖3中可以看出，在工藝方案1中，充型時金屬液流動方向和離心力場的方向相反，借助橫澆道型腔中金屬液的反壓力進行充型，可以減小金屬液對鑄件型壁的直接沖刷作用，降低液流速度能保證充型平穩(wěn)，有利于獲取完整鑄件。金屬液的充型能力也同時減弱了，不利于鑄件后續(xù)補縮，較易產(chǎn)生收縮缺陷。從無損檢測結(jié)果圖5(a)可以看出，鑄件產(chǎn)生的3個收縮位置恰在厚大部位的熱節(jié)處，尤其前爪部位是最后充型，卷進空氣后不易排出會也會形成氣孔等缺陷，而相鄰薄壁處先于這些熱節(jié)部位凝固，使得產(chǎn)生的縮孔、氣孔等無法通過順序凝固的方式消除，最終凝固形成鑄造缺陷。工藝方案2采用直接充型的方式，即在澆注過程中，金屬液充型方向和離心力方向始終一致，這種方案可以明顯提高金屬液的補縮能力，降低鑄件縮孔缺陷。從檢測結(jié)果圖5(b)中能看出，盡管工藝方案2沒能完全消除熱節(jié)部位的缺陷，但出現(xiàn)縮孔的部位僅在前爪處，鑄件總體的質(zhì)量要稍微高于第一種工藝方案，是相對較為理想的一種方案。

鈦合金是一種具有較高化學活性的合金，與所有的耐火材料在熔融狀態(tài)下都容易發(fā)生化學反應(yīng)，文章采用的熔煉方法使鈦合金產(chǎn)生較小的過熱度，其鑄造流動性和補縮能力比鋼和高溫合金要差一些[13]。由兩種澆注方案的X射線檢測結(jié)果可以看出，上關(guān)節(jié)體鑄件在自身熱節(jié)處形成縮孔缺陷，盡管調(diào)整了工藝方案，仍不能完全避免縮孔出現(xiàn)，但有研究指出可利用熱等靜壓[14]消除鈦合金鑄件內(nèi)較小收縮缺陷(縮孔或氣孔直徑小于10mm)。

圖5 鑄件X射線無損檢測圖像:

圖6 缺陷位置剖面圖

對鑄件進行解剖，可見其前爪部位縮孔缺陷直徑范圍在0.5-1mm左右。參照標準《GJB-2896-97鈦及鈦合金熔模精密鑄件規(guī)范》、標準《HB6573熔模鑄鋼件用標準參考射線底片》和GB/T5677-85，對缺陷分類并評定缺陷級別。前爪透照厚度約為12mm，按照高質(zhì)量鑄件要求，透照厚度為10～20mm時，缺陷等級應(yīng)在2級及2級以下，所允許的縮孔尺寸最大不得超過5mm，本文所制備的鑄件在0.5-1mm，因此符合相應(yīng)規(guī)范要求。

3 結(jié) 論

(1)采用離心澆注半徑為230mm,250mm的兩種熔模精密鑄造工藝方案制備了上關(guān)節(jié)體零件，零件外觀結(jié)構(gòu)完整。

(2)采用型壁反壓力充型平穩(wěn)，但由于充型能力不足，鑄件中產(chǎn)生的縮孔缺陷較多。采用充型方向和離心力方向一致的工藝方案制備鑄件，充型能力得到一定提升，中間部位的縮孔缺陷有后續(xù)金屬液補充，能夠在凝固過程中消除。

(3)無損檢測結(jié)果表明，工藝方案2鑄造效果較方案1要好，但都不能完全消除的縮孔缺陷。兩種工藝方案制備的鑄件在前爪部位均出現(xiàn)了2處縮孔。結(jié)合相關(guān)標準并對鑄件相應(yīng)部位進行解剖，發(fā)現(xiàn)鑄件符合相應(yīng)規(guī)范要求。