型殼界面對鈦合金鑄件的影響

鈦與型殼界面相互作用是十分復雜的，其中既有鈦液對型殼的沖蝕、滲透和熱沖擊等機械作用，又有鈦和型殼成分間的熱擴散、化學反應等熱物理化學作用，而且機械作用與物理化學作用是相互交織在一起的。型殼內表面由于鈦液的熱沖擊所引起的應力集中而產生了一個剝離層，有時候這一剝離層以一定的強度附著于鑄件表面；鑄件表面則由于型殼中的鋯、氧等元素的熱擴散而產生了一個表面污染層，該污染層的顯微硬度遠高于鑄件基體的內部。毫無疑問，鑄件表面稍微的粘砂缺陷是以上兩者共同作用的結果，但是這兩者之間具體的相互影響規律還有待于進一步的深進研究。

為了研究鈦和型殼界面相互作用規律，采取進步金屬液澆注溫度等工藝措施來增加界面反應。用掃描電鏡觀察鑄態表面，發現鑄件表面個別區域存在著稍微的粘砂缺陷，如圖2a所示。圖2b為鑄件表面的鋯成分像，可見鑄態表面含有一定濃度的鋯元素。且大體上呈現均勻分布，只是在粘砂顆粒四周鋯元素濃度偏高。對鑄件表面作能譜分析，所得到的鋯元素摩爾分數分布為：粘砂顆粒處22%，粘砂顆粒四周0.78%,闊別粘砂顆粒處0.22%。由以上現象可以看出，鋯元素是以粘砂顆粒為源頭向四周進行梯度擴散的。a. 鑄態表面形貌　b. 鑄態表面鋯的成分像。進而，又對鈦和型殼界面進行了電子探針顯微分析。為了能夠直觀地研究界面反應過程，在制取試樣時，特地將附著于鑄件表面的型殼表面剝離層保存了下來。3a為界面反應區的背散射電子像，照片下側為金屬基體，上側為型殼表面剝離層。圖3b為平行于直界面方向上的鈦元素和鋯元素的線掃描曲線，其中位于上面的曲線為鈦的線掃描，下面為鋯元素的線掃描。Zr元素在平行于界面方向上的摩爾濃度分布并不是均勻的，而是存在著一定的波動，其基本規律為：與ZrO2(CaO)顆粒接觸的區域Zr的摩爾濃度高，反之，Zr的摩爾濃度低。

a. 界面背散射形貌　b. 平行于界面方向上的線掃描圖3　實際澆注反應界面的EPMA分析試驗還借助能譜分析和顯微硬度分析，研究了鋯、氧元素濃度分布對界面反應嚴重的鈦鑄件表面處顯微硬度的影響規律，如圖4所示。從圖中可見，鋯元素濃度由表及里逐漸降低，鋯的分布區域大約為30 μm。而且，顯微硬度分布曲線與鋯濃度分布曲線的形態對應良好，因此污染層顯微硬度的增加是源于ZrO2分解出的Zr元素與O元素向鈦基體內的熱擴散而導致的固溶強化。

在氧化鋯陶瓷熔模型殼工藝中，鈦與型殼界面相互作用的主導方面是Zr,O元素向鈦基體內的熱擴散。試驗結果顯示，鑄件表面的Zr,O元素濃度并不是均勻分布的，而是根據與型殼表面的接觸狀態呈現出一定的波動。可以推斷，當鈦基體內的Zr,O元素濃度超過某一臨界值后，將會有新相產生，這必然使鑄件的表面質量更加惡化。據此我們以為，凡是阻礙界面熱擴散的因素都可以弱化界面處的化學反應。其中一個較為關鍵的工藝參數就是型殼的預熱溫度。在保證充型能力以及型殼具有足夠的抗熱沖擊強度的條件下，適當降低型殼預熱溫度可以大大減輕界面反應。事實上，試驗中采用冷殼澆注獲得了相當滿足的鑄件表面質量。