發布日期：2024-1-2 15:33:23
鈦合金由于密度較小、耐腐蝕佳等原因備受航空、航天、建筑、交通等各行各業的青睞，也吸引了眾多科研人員的研究興趣。宗學文等[1]基于快速鑄造方法進行了鈦合金成形的數值模擬，并進行了鈦合金組織性能分析。李義軍等[2]進行了ZTA15鈦合金熔模精密鑄造過程中澆注用鐵基引流工裝的優化研究。張仕朝等[3]研究了鑄造鈦合金ZTC4不同應變比下的低周疲勞行為。范李鵬等[4]研究了鈦合金精密鑄造過程中的氧化釔型殼制備工藝。張帥鋒等[5]探討和分析了鑄造鈦合金α層對補焊裂紋的影響規律。史昆等[6]研究和分析了復雜曲面鈦合金葉輪的消失模鑄造工藝。寧二賓等[7]基于SLA技術研究了鈦合金熔模精密鑄造工藝。賀焱等[8]研究了純鈦離心泵的石墨型鑄造工藝。張浩等[9]研究了熔模鑄造鈦合金直齒面齒輪快速成形工藝。在鈦合金工業化應用中，越來越多的應用場合對鑄造成形鈦合金耐磨損性能提出了更高要求。但是，目前關于鑄造鈦合金耐磨損性能的研究還鮮有報道，難以對工業化生產提供有效支持。超聲振動輔助是一種改善鑄造成形合金組織和性能的有效途徑。付浩等[10]研究了超聲-機械振動復合處理細化AZ91D-3Ca鎂合金的凝固組織。付波[11]分析了振動頻率對超聲輔助鑄造鋁基模具合金耐磨損性能的影響。趙龍志等[12]探討和研究了振動頻率對間接超聲輔助鑄造Al-24%Si合金的影響。馮丹艷[13]分析了超聲振動對ZL101鋁合金熔體凝固組織的影響。董雄博等[14]研究和分析了超聲振動對活塞用近共晶鋁硅合金硅相形貌及生長機制的影響。游專等[15]分析了擠壓溫度和超聲振動頻率對汽車控制臂性能的影響。李永康等[16]分析了超聲振動擠壓加工對汽車活塞桿性能的影響。但是，目前關于超聲振動輔助在鈦合金鑄造成形中的應用還鮮有報道。為此，本文嘗試采用超聲振動輔助澆注的鑄造成形方法制備鈦合金TC4試樣，并進行了合金試樣的顯微組織、力學性能和耐磨損性能分析，以優化鑄造鈦合金的組織與性能，為鑄造成形鈦合金性能改善提供新的途徑。
1、試驗材料及方法
以海綿鈦、純鋁、Al-10V中間合金為原材料，在真空感應熔煉爐中，真空度（3.5±0.5）Pa；然后分別在紫銅模具中采用常規澆注和超聲振動輔助澆注兩種方法進行澆注，紫銅模具內徑φ80mm、深度150mm，澆注溫度1700℃。超聲振動輔助澆注裝置如圖1所示，超聲振動輔助澆注時的超聲振動頻率50Hz，超聲處理功率1kW，超聲振動輔助從澆注開始直至澆注完成時結束。鑄造成形TC4鈦合金試樣化學成分如表1所示。試樣為圓棒狀，尺寸φ80mm×200mm。所有合金試樣都未進行熱處理。
用線切割方法在鑄造成形鈦合金試樣中部切取圓片狀金相試樣（尺寸φ20mm×10mm），經過由粗到細的金相砂紙磨制后，先用氧化鐵預拋，再用三氧化二鉻精拋至鏡面，在金相腐蝕液中浸泡15s后立即用流動水沖洗干凈并吹干后在FL8000型金相顯微鏡上進行組織觀察。金相腐蝕液的具體配比為氫氟酸13mL+硝酸26mL+無水乙醇156mL+去離子水5mL。
用線切割方法在鑄造成形鈦合金試樣中部切取圓柱形磨損試樣（尺寸φ30mm×15mm），在室溫條件下進行摩擦磨損試驗，采用的測試儀器為MVF-1A多功能立式摩擦磨損試驗機，試驗力示值相對誤差為100N以下±2N、100N以上±0.5%，摩擦力荷重傳感器為100N，摩擦力臂距離為50mm，摩擦力設定為98N，轉速設定為300r/min，試驗時間設定為25min，對磨材料選用45鋼。
用切割方法在鑄造成形鈦合金試樣中切取3個圓棒型拉伸試樣。拉伸試樣具體尺寸如圖2所示。拉伸試驗在室溫下進行，采用的試驗設備為QX-W550微機控制電子萬能試驗機，拉伸時速度設定為1mm/min。試驗結束后用PhenomLE型掃描電鏡觀察試樣拉伸斷口形貌。
2、試驗結果及討論
2.1顯微組織
采用常規澆注和超聲振動輔助澆注兩種方法澆注制備的鑄造鈦合金TC4試樣顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出，鑄造鈦合金TC4試樣均為網籃狀α+β雙相組織，由類似等軸晶的α相（圖1中的灰白色組織）和沿α相邊界斷續分布的β相（圖1中的灰黑色組織）。但是，從圖3還可以看出，與常規澆注相比，超聲振動輔助澆注制備而成的合金試樣顯微組織得到明顯細化，α相和β相都更為細小。超聲振動輔助澆注改善了鑄造成形鈦合金的內部組織。這主要是因為在澆注過程中引入的超聲振動，可以使熔融鈦合金產生空化、聲流效應[17-20]，有助于鈦合金試樣在形核過程中增加異質形核，同時有助于枝晶的破碎，從而使得超聲振動輔助鑄造鈦合金試樣具有更加細小的顯微組織[15-16]。
2.2耐磨損性能
采用常規鑄造和超聲振動輔助鑄造兩種方法制備的鑄造鈦合金TC4試樣的耐磨損性能測試結果如圖4所示。從圖4可以看出，與常規鑄造相比，超聲振動輔助鑄造可以使合金試樣在摩擦磨損過程中的磨損體積得到明顯減小，顯著改善合金試樣的耐磨損性能。當磨損時間5min時，超聲振動輔助鑄造試樣的磨損體積較常規鑄造試樣減小了55.3%；當
磨損時間25min時，超聲振動輔助鑄造試樣的磨損體積較常規鑄造試樣減小了73.4%。由此可以看出，超聲振動輔助顯著減小了鑄造成形鈦合金試樣的磨損體積，提高了鑄造成形鈦合金試樣的耐磨損性能。這主要是在常規鑄造過程中，鈦合金試樣內部組織較為粗化，且不可避免地產生氣孔、夾雜等缺陷，難以獲得理想的耐磨損性能；當澆注過程中引入超聲振動輔助鑄造，超聲振動的空化和聲流等效應一方面明顯細化了合金試樣顯微組織，另一方面有助于消除或顯著減少氣孔、夾雜等缺陷，從而顯著改善鑄造成形鈦合金試樣的耐磨損性能[16-20]。
2.3力學性能
采用常規鑄造和超聲振動輔助鑄造兩種方法制備的鑄造鈦合金TC4試樣力學性能測試結果如表2所示。從表2可以看出，與常規鑄造試樣相比，超聲振動輔助鑄造合金試樣在保持斷后伸長率基本不變的前提下，提高了合金試樣的強度，其中抗拉強度增大了65MPa，提高7.2%；屈服強度增大了68MPa，提高了8.1%。由此可以看出，超聲振動輔助鑄造可以在保持斷后伸長率基本不變的前提下，提高鑄造成形鈦合金的強度，從而提高鑄造成形鈦合金的力學性能。
圖5是分別采用常規鑄造和超聲振動輔助鑄造兩種方法制備的鑄造鈦合金TC4試樣的拉伸斷口SEM（掃描電鏡）照片。從圖5可以看出，常規鑄造鈦合金試樣（圖5（a））的拉伸斷口呈現出較為明顯的韌性斷裂特征，但是斷口中韌窩較淺、較粗大；而超聲振動輔助鑄造試樣（圖5（b））的拉伸斷口也呈明顯的韌性斷裂特征，而且斷口中韌窩更深、更細小，表現出更優良的拉伸性能。這主要是常規鑄造的鈦合金內部組織較為粗大，且不可避免存在的氣孔、夾雜等鑄造缺陷，勢必影響鑄造成形鈦合金的力學性能；當澆注過程中引入超聲振動，在空化和聲流等效應作用下合金試樣內部組織得到細化，且可有效消除或減少鑄造缺陷，從而明顯提高鑄造成形鈦合金試樣的力學性能[15，17-19]。
3、結論
（1）基于超聲振動的空化和聲流等效應，超聲振動輔助鑄造可以明顯細化鑄造成形鈦合金的內部顯微組織，提高合金的耐磨損性能和力學性能。
（2）在摩擦磨損試驗過程中，當磨損時間5min時，超聲振動輔助鑄造成形鈦合金的磨損體積較常規鑄造試樣減小55.3%；當磨損時間25min時，超聲振動輔助鑄造試樣的磨損體積較常規鑄造試樣減小了73.4%。
（3）與常規鑄造試樣相比，超聲振動輔助鑄造合金試樣在保持斷后伸長率基本不變的前提下，提高了合金試樣的強度，其中抗拉強度增大了65MPa，提高7.2%；屈服強度增大了68MPa，提高了8.1%。
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