石墨鑄型材料對(duì)鈦合金內(nèi)環(huán)鑄件冶金質(zhì)量的影響研究

肖強(qiáng)偉，張光，鞠忠強(qiáng)，趙瑞斌，王德季

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100094）

鈦合金因具有低密度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕、生物相容性好等特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、醫(yī)療、體育用品等領(lǐng)域[1—3]。無(wú)余量和近無(wú)余量鑄造成形技術(shù)由于成本低等原因得到廣泛應(yīng)用[4—5]。由于石墨材料具有密度小、重量輕、成形抗熱沖擊性能良好、高溫穩(wěn)定性好、抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在鈦合金鑄造領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用，石墨加工型鑄造工藝已經(jīng)成為了鈦合金鑄造的重要工藝之一[6—11]。石墨鑄型與高溫鈦合金液體反應(yīng)微弱，界面反應(yīng)程度低，較好的熱導(dǎo)性能也提高鑄件的冷卻速度，進(jìn)而細(xì)化晶粒組織和提高鑄件的力學(xué)性能，此外機(jī)加工石墨型具有分型方式多樣的特點(diǎn)[12]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，通過(guò)三維造型，采用數(shù)控加工技術(shù)可以快速精確制造出各種大型復(fù)雜的石墨鑄型，也近一步擴(kuò)大了石墨型鑄造的應(yīng)用范圍[13]。石墨材料作為鈦合金鑄造的鑄型材料，直接與金屬液相接觸，對(duì)鑄件的質(zhì)量至關(guān)重要。同時(shí)，隨著國(guó)家環(huán)保形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，石墨材料的生產(chǎn)加工成本日趨高昂，石墨模具成本壓力越來(lái)越大，選擇合理的石墨材質(zhì)對(duì)于降低成本和提高鑄件質(zhì)量具有重要意義。目前市面上石墨材料種類繁多，品質(zhì)參差不齊，不同品質(zhì)或價(jià)格的石墨材料對(duì)鈦合金鑄件質(zhì)量到底會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響，目前還沒(méi)有這方面的研究報(bào)道。文中重點(diǎn)研究了 3種典型鈦合金鑄造用石墨鑄型材料對(duì)某內(nèi)環(huán)鑄件冶金質(zhì)量的影響，文中的研究對(duì)鈦合金鑄造中石墨鑄型的選材具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 鑄件簡(jiǎn)介

試驗(yàn)選取某內(nèi)環(huán)鑄件，合金材質(zhì)為ZTC4，鑄件最大輪廓尺寸為Φ500 mm×105 mm，最小壁厚為 8 mm，鑄件重量為12 kg，見(jiàn)圖1。該件為某型號(hào)批產(chǎn)產(chǎn)品，采用石墨加工型鑄造工藝，鑄件的冶金質(zhì)量波動(dòng)較大，初步分析是由于石墨鑄型材質(zhì)的差異產(chǎn)生，文中的研究也為該鑄件的質(zhì)量控制提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1 鈦合金內(nèi)環(huán)鑄件Fig.1 Titanium alloy inner ring casting

1.2 石墨鑄型材料的選擇

分別選用顆粒直徑為2, 0.8, 0.04 mm的3種不同石墨材料進(jìn)行試驗(yàn)，石墨材料的標(biāo)樣外觀見(jiàn)圖2，性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2 石墨材料標(biāo)樣Fig.2 Samples of graphite materials

表1 3種石墨材料的性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators for the three kinds of graphite materials

1.3 石墨鑄型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熔煉澆注

內(nèi)環(huán)鑄件每套模具包含2件鑄件，鑄型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。3種石墨材料各制備5套鑄型，即每種材料澆注10件。內(nèi)環(huán)鑄件在100 kg真空自耗凝殼爐進(jìn)行澆注，采用離心鑄造工藝，所有鑄件澆注工藝一致。

圖3 石墨型工藝設(shè)計(jì)Fig.3 Graphite mould design process

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄件毛坯的表面質(zhì)量

2.1.1 目視檢驗(yàn)

采用3種石墨材質(zhì)澆注的鑄件均成形完整，棱角清晰，鑄件表面均存在不同程度的流痕、冷隔和金屬毛刺等現(xiàn)象。選擇對(duì)上層鑄件相同位置進(jìn)行對(duì)比觀察。無(wú)論從宏觀還是局部來(lái)看，采用2 mm的石墨研制出的鑄件表面缺陷不但數(shù)量多且更明顯，0.8 mm石墨次之，0.04 mm石墨表面質(zhì)量最好，見(jiàn)圖4。

圖4 3種材料澆注鑄件表面外觀Fig.4 Casting surface of the three kinds of materials

石墨材料的顆粒度不同，石墨材料致密性存在較大差異，石墨制品經(jīng)機(jī)加工后鑄型表面存在細(xì)微的孔隙，高溫鈦合金液體在充型過(guò)程中，金屬液進(jìn)入石墨表面孔隙，鑄件表面產(chǎn)生毛刺缺陷。顆粒度較大的石墨鑄型表面光潔度差，充型當(dāng)中液態(tài)金屬受阻較大，流動(dòng)性變差，形成的流痕現(xiàn)象更嚴(yán)重。

2.1.2 表面熒光質(zhì)量

將2, 0.8, 0.04 mm這3種不同材質(zhì)澆注的鑄件原始毛坯進(jìn)行熒光檢驗(yàn)，熒光檢驗(yàn)的結(jié)果也與鑄件目視的結(jié)果具有相同的規(guī)律，即石墨材質(zhì)越好，鑄件熒光缺陷越少，表面質(zhì)量越好，見(jiàn)圖5。

圖5 內(nèi)環(huán)鑄件毛坯熒光情況Fig.5 Fluorescence of inner ring casting blanks

2.2 鑄件成品冶金質(zhì)量

鑄件毛坯經(jīng)過(guò)熱等靜壓后全表面進(jìn)行機(jī)加工，然后對(duì)加工后的鑄件成品進(jìn)行表面熒光滲透檢驗(yàn)和 X光射線檢驗(yàn)。

2.2.1 熒光檢驗(yàn)

對(duì) 30件內(nèi)環(huán)成品鑄件進(jìn)行熒光檢驗(yàn)，3種不同石墨材質(zhì)研制出的內(nèi)環(huán)鑄件熒光缺陷數(shù)量見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，采用0.04 mm石墨材質(zhì)的內(nèi)環(huán)鑄件表面熒光缺陷數(shù)為0的達(dá)到6件，即1次合格率達(dá)到60%，缺陷數(shù)量平均為2.2個(gè)；采用0.8和2 mm石墨材質(zhì)研制的鑄件熒光1次合格率為0，缺陷數(shù)量平均分別為13.9和21.4個(gè)。

圖6 鑄件熒光缺陷統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics of fluorescence defects in castings

上述數(shù)據(jù)說(shuō)明，內(nèi)環(huán)鑄件零件熒光的質(zhì)量隨石墨材料顆粒度降低，熒光缺陷減少。鑄件經(jīng)過(guò)熱等靜壓后進(jìn)行機(jī)加工，材料顆粒度越大的石墨鑄型澆注出的鑄件缺陷就深且多，加工后殘留的缺陷可能性就越多，導(dǎo)致的熒光問(wèn)題就越突出，反之材料顆粒度越小，缺陷殘留就越少，對(duì)應(yīng)的表面熒光缺陷就越少。

2.2.2 X光檢驗(yàn)

對(duì)30件內(nèi)環(huán)成品鑄件進(jìn)行X光檢測(cè)，3種材料研制的鑄件 X光缺陷數(shù)量見(jiàn)圖 7?？梢钥闯?，采用0.04 mm材質(zhì)的內(nèi)環(huán)鑄件表面X光1次合格率達(dá)到70%，缺陷數(shù)量平均為0.5個(gè)，其中夾雜平均0.4個(gè)；采0.8 mm材質(zhì)的內(nèi)環(huán)鑄件表面X光1次合格率達(dá)到50%，缺陷數(shù)量平均為1.3個(gè)，其中夾雜平均0.7個(gè)；2 mm材質(zhì)的內(nèi)環(huán)鑄件表面X光1次合格率達(dá)到60%，缺陷數(shù)量平均為1.5個(gè)，其中夾雜平均0.2個(gè)。

圖7 鑄件內(nèi)部缺陷統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of internal defects in castings

上述數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)環(huán)鑄件 X光缺陷數(shù)量隨石墨材料顆粒度減小而存在降低的趨勢(shì)，但3種不同石墨材料研制的鑄件 X光的一次合格率在 50%～70%之間，水平基本相當(dāng)，缺陷數(shù)量也處于1.5個(gè)/件以下的較低水平。3種石墨材質(zhì)研制的內(nèi)環(huán)鑄件夾雜數(shù)量在0.7個(gè)/件，處于較低水平，并與石墨材料無(wú)明顯的規(guī)律。由表1中3種石墨材料的性能指標(biāo)可以看出，3種石墨材料的強(qiáng)度一般大于10 MPa，鑄型強(qiáng)度滿足高溫鈦合金液體的沖擊，因此由于鑄型材質(zhì)的問(wèn)題產(chǎn)生夾雜的風(fēng)險(xiǎn)很小。

3 結(jié)論

1)2, 0.8, 0.04 mm這3種石墨鑄型材質(zhì)隨著顆粒度越小，鑄件毛坯件的表面外觀質(zhì)量越好，反之越差。

2)3種石墨鑄型材質(zhì)顆粒度越小，研制的內(nèi)環(huán)零件熒光質(zhì)量越好。2, 0.8, 0.04 mm這3種典型石墨材質(zhì)研制的內(nèi)環(huán)零件表面熒光缺陷分別為 21.4, 13.9,2.2個(gè)。

3)2, 0.8, 0.04 mm這3種石墨材料對(duì)內(nèi)環(huán)鑄件X光缺陷影響較小，缺陷數(shù)量處于較低水平。3種材料研制的鑄件缺陷數(shù)量均小于 1.5個(gè)/件，夾雜均小于0.7個(gè)/件，夾雜與石墨材料并明顯的規(guī)律。