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型壳界面对钛合金铸件的影响

发布时间:2016-09-23 14:41:45 | 浏览次数：

钛与型壳界面相互作用是十分复杂的，其中既有钛液对型壳的冲蚀、渗透和热冲击等机械作用，又有钛和型壳成分间的热扩散、化学反应等热物理化学作用，而且机械作用与物理化学作用是相互交织在一起的。型壳内表面由于钛液的热冲击所引起的应力集中而产生了一个剥离层，有时候这一剥离层以一定的强度附着于铸件表面；铸件表面则由于型壳中的锆、氧等元素的热扩散而产生了一个表面污染层，该污染层的显微硬度远高于铸件基体的内部。毫无疑问，铸件表面稍微的粘砂缺陷是以上两者共同作用的结果，但是这两者之间具体的相互影响规律还有待于进一步的深进研究。
为了研究钛和型壳界面相互作用规律，采取进步金属液浇注温度等工艺措施来增加界面反应。用扫描电镜观察铸态表面，发现铸件表面个别区域存在着稍微的粘砂缺陷，如图2a所示。图2b为铸件表面的锆成分像，可见铸态表面含有一定浓度的锆元素。且大体上呈现均匀分布，只是在粘砂颗粒四周锆元素浓度偏高。对铸件表面作能谱分析，所得到的锆元素摩尔分数分布为：粘砂颗粒处22%，粘砂颗粒四周0.78%,阔别粘砂颗粒处0.22%。由以上现象可以看出，锆元素是以粘砂颗粒为源头向四周进行梯度扩散的。a. 铸态表面形貌　b. 铸态表面锆的成分像。进而，又对钛和型壳界面进行了电子探针显微分析。为了能够直观地研究界面反应过程，在制取试样时，特地将附着于铸件表面的型壳表面剥离层保存了下来。3a为界面反应区的背散射电子像，照片下侧为金属基体，上侧为型壳表面剥离层。图3b为平行于直界面方向上的钛元素和锆元素的线扫描曲线，其中位于上面的曲线为钛的线扫描，下面为锆元素的线扫描。Zr元素在平行于界面方向上的摩尔浓度分布并不是均匀的，而是存在着一定的波动，其基本规律为：与ZrO2(CaO)颗粒接触的区域Zr的摩尔浓度高，反之，Zr的摩尔浓度低。
a. 界面背散射形貌　b. 平行于界面方向上的线扫描图3　实际浇注反应界面的EPMA分析试验还借助能谱分析和显微硬度分析，研究了锆、氧元素浓度分布对界面反应严重的钛铸件表面处显微硬度的影响规律，如图4所示。从图中可见，锆元素浓度由表及里逐渐降低，锆的分布区域大约为30 μm。而且，显微硬度分布曲线与锆浓度分布曲线的形态对应良好，因此污染层显微硬度的增加是源于ZrO2分解出的Zr元素与O元素向钛基体内的热扩散而导致的固溶强化。
在氧化锆陶瓷熔模型壳工艺中，钛与型壳界面相互作用的主导方面是Zr,O元素向钛基体内的热扩散。试验结果显示，铸件表面的Zr,O元素浓度并不是均匀分布的，而是根据与型壳表面的接触状态呈现出一定的波动。可以推断，当钛基体内的Zr,O元素浓度超过某一临界值后，将会有新相产生，这必然使铸件的表面质量更加恶化。据此我们以为，凡是阻碍界面热扩散的因素都可以弱化界面处的化学反应。其中一个较为关键的工艺参数就是型壳的预热温度。在保证充型能力以及型壳具有足够的抗热冲击强度的条件下，适当降低型壳预热温度可以大大减轻界面反应。事实上，试验中采用冷壳浇注获得了相当满足的铸件表面质量。

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