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新型材料的铸造成形 |
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1．钛合金的铸造成形
钛元素在地壳中的储量仅次于铁、铝、铜，位居金属元素的第四位。而且，钦合金具有一系列优异的性能，因而获得越来越广泛的应用。钛合金依其应用背景可分为高温钛合金、结构钛合金和功能钛合金三种。钛合金的成形方法除铸造以外，还有锻造、超塑、焊接等方法。
1．铸造钛合金的熔炼工艺
钛是非常活泼的金属，在液态下，和氧、氮、氢和碳的反应相当快，因此钛合金熔炼必须在较高的真空度或惰性气体（Ar或Ne）保护下进行。熔炼用坩埚均采用水冷铜坩埚，具体的熔炼工艺主要有三种方式：
（1）非自耗电极电弧炉熔炼 合金熔炼在真空或惰性气体保护下进行。该工艺主要为自耗电极熔炼制备电极。
（2）真空自耗电极电弧炉熔炼 以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极，以水冷铜坩埚为阳极。熔化了的电极以液滴形式进入坩埚，形成熔池。熔池表面被电弧加热，始终呈液态，底部和坩埚接触的四周受到强制冷却，产生自下而上的结晶。熔池内的金属液凝固后成为钛锭。
（3）真空自耗电极凝壳护熔炼 熔炼装置示意图见图1。这种熔炉是在真空自耗电极电弧炉基础上发展起来的，它是一种将熔炼与离心浇注联成一体的铸造异形件的炉型。其最大的特点是在水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层钛合金固体薄壳，即所谓凝壳，这层同材质的凝壳作为坩埚的内衬，用于形成熔池储存钛液，避免了坩埚对钛合金液的污染。浇注后，留在增损内的一层凝壳，可作为坩埚内衬继续使用。
近年来，随着科技的发展及生产的需要，相继研究开发了熔炼钛合金及其他活性金属的新方法及装备，主要有电子束炉、等离子体炉、真空感应炉等，并获得一定程度的应用。但从耗电量、熔化速度、成本等技术经济指标对比来看，自耗电极电弧炉（含凝壳炉）熔炼仍是目前最经济适用的熔炼方法，见表1。
表 1 不同熔炼钛合金时的指标比较
2．钛合金的铸造工艺
由于钛元素的物理-化学特性，使得钛合金的铸造工艺，无论是造型材料率是工艺方法均有其独特的要求和特点。一是要求耐火度非常高的造型材料；二是浇注必须在较高的真空度或惰性气体的保护下进行，有时还要附以离心力。其铸造工艺种类如下：
（1）永久铸型 主要有加工石墨型、金属型（铁铸型、钛铸型）。铸型均系机械加工制成。生产的铸件结构相对比较简单，尺寸精度较低；一般应用于毛坯件的生产。
（2）一次性铸型 可以生产形状比较复杂、尺寸精度较高的铸件。按其造型方法，有捣实石墨砂型和熔模型壳两种。后者可以制造更为复杂（壁厚2mm）、尺寸精度高和表面粗糙度低（Ra3.2）的铸件。接型壳材料不同，熔模型壳又分为三种不同的系统。
1）纯石墨型壳系统。用不同粒度的石墨粉作为耐火填料和撒砂材料，以树脂为粘接剂。型壳强度高、重量轻、成本低，原料来源广泛。适于离心或重力浇注。
2）难熔金属面层型壳系统。为复合型系统，除面层因造型材料不同（钨粉等难熔金属）需采取特殊工艺外，背层从造型材料到制壳工艺均同于铸钢的熔模铸造。
3）氧化物陶瓷型壳系统。型壳的面、背层均由氧化物作为造型材料，因而型壳强度高，热导率在三种型壳中最小，适于浇注形状复杂的薄壁铸件。
用以上三种型壳系统浇注的钛铸件，在化学成分和力学性能方面差别很小；但表面质量有明显差别，后两种型壳的收缩率明显小于石墨型壳，因而铸件尺寸精度。
在生产中，可以根据钛铸件的具体情况选用上述不同方法。
2．金属基复合材料的铸造成形
金属基复合材料（MMC）被誉为21世纪的材料。由于其很好地结合了金属的塑性、韧性和陶瓷的高强度、高弹性模量，从而具有一些引人注目的物理性能和力学性能，比如高的比弹性模量、比强度、耐热、耐磨以及尺寸稳定性等。从经济适用的观点出发，陶瓷颗粒增强的MMC材料更受到人们关注，研究、应用的热点集中在镁基和铝基合金，增强颗粒主要有Al2O3、SiC等。其成形工艺主要有粉末冶金和铸造两种。前者由于工艺复杂、成本高、难于制造大尺寸件及复杂件，所以很难在生产中获得广泛应用。采用铸造法成形颗粒增强型金属基复合材料具有工艺简单、成本低，对尺寸和形状没有限制，可大批量连续生产等优点，因而具有广阔的发展及应用前景。
颗粒增强型金属基复合材料的铸造成形方法主要有如下六种：
1．液态金属／陶瓷颗粒搅拌铸造法
通过机械搅拌在液态金属中产生涡流从而引入陶瓷颗粒并使其分布均匀。采用这种方法制造铝基复合材料，陶瓷颗粒尺寸可小到10μm，增强相的体积分数可达25％。
2．熔体浸渗铸造法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。前者是利用机械装置或惰性气体作为压力媒体将金属熔体浸渍渗透进多孔的陶瓷预制块中，可制备体积分级高达50％的复合材料，此方法已被广泛应用。后者是在氮气气氛下不需施加任何压力合金熔体就能良好地浸透陶瓷粉末预制块中，可制备体积分数高达55％的复合材料。
3. 挤压铸造法
此方法先从机械搅拌法制备复合浆料，然后将液态复合浆料倒入挤压模（需预热）内，起动液压机，使液态浆料在一定的比压下凝固成形。
4. 高能超声法
该方法是在金属熔化后，一边利用超声发生装置（多用磁致伸缩换能器）施加超声振动，一边加入陶瓷颗粒，实现均匀混合以后浇注成形。也可将陶瓷颗粒制成预制件，浇入液体金属后，施加超声进行熔体浸渗。该方法可在极短的时间里（数十秒）实现颗粒的均匀分布。
5．流变铸造法
此法是对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，在一定压力下充型凝固成形。此工艺是一种两相工艺，局限于大结晶范围的合金。
6．原位反应铸造法
这是最近发展的一种崭新方法。它与上述五种方法的根本区别在于：增强陶瓷颗粒不是外加的，而是在制备过程中通过化学反应在原位生成。其基本原理是：在一定的液态合金中，利用合金液的高温，使合金液中的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生化学反应，生成一种或几种陶瓷增强颗粒，然后通过铸造成形获得由原位颗粒增强的金属基复合材料。
金属基复合材料的制备工艺目前尚处于研究开发中，在上述各种方法中，最具产业化前景的是机械搅拌铸造法。因为其工艺简单、成本低，对熔体及增强颗粒的种类几乎没有限制，具有广泛的适应性。但要真正实现大规模工业生产还需解决以下几个问题：颗粒微观分布的均匀性；金属基体与增强颗粒之间的界面反应与控制；组织与性能和稳定性等。
(end)
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(11/29/2004) |
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