肖強偉，張光，鞠忠強，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. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100094）

鈦合金因具有低密度、高比強度、耐腐蝕、生物相容性好等特性，已經廣泛應用于航空、航天、化工、石油、醫(yī)療、體育用品等領域[1—3]。無余量和近無余量鑄造成形技術由于成本低等原因得到廣泛應用[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、抗變形能力強等優(yōu)點，在鈦合金鑄造領域得到較為廣泛的應用，石墨加工型鑄造工藝已經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微弱，界面反應程度低，較好的熱導性能也提高鑄件的冷卻速度，進而細化晶粒組織和提高鑄件的力學性能，此外機加工石墨型具有分型方式多樣的特點[12]。隨著科學技術的迅速發(fā)展，通過三維造型，采用數控加工技術可以快速精確制造出各種大型復雜的石墨鑄型，也近一步擴大了石墨型鑄造的應用范圍[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，對鑄件的質量至關重要。同時，隨著國家環(huán)保形勢越來越嚴峻，石墨材料的生產加工成本日趨高昂，石墨模具成本壓力越來越大，選擇合理的石墨材質對于降低成本和提高鑄件質量具有重要意義。目前市面上石墨材料種類繁多，品質參差不齊，不同品質或價格的石墨材料對鈦合金鑄件質量到底會產生什么樣的影響，目前還沒有這方面的研究報道。文中重點研究了 3種典型鈦合金鑄造用石墨鑄型材料對某內環(huán)鑄件冶金質量的影響，文中的研究對鈦合金鑄造中石墨鑄型的選材具有指導意義。

1 試驗

1.1 鑄件簡介

試驗選取某內環(huán)鑄件，合金材質為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，見圖1。該件為某型號批產產品，采用石墨加工型鑄造工藝，鑄件的冶金質量波動較大，初步分析是由于石墨鑄型材質的差異產生，文中的研究也為該鑄件的質量控制提供試驗基礎。

圖1 鈦合金內環(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種不同石墨材料進行試驗，石墨材料的標樣外觀見圖2，性能指標見表1。

圖2 石墨材料標樣Fig.2 Samples of graphite materials

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

1.3 石墨鑄型的結構設計及熔煉澆注

內環(huán)鑄件每套模具包含2件鑄件，鑄型結構設計見圖3。3種石墨材料各制備5套鑄型，即每種材料澆注10件。內環(huán)鑄件在100 kg真空自耗凝殼爐進行澆注，采用離心鑄造工藝，所有鑄件澆注工藝一致。

圖3 石墨型工藝設計Fig.3 Graphite mould design process

2 結果與分析

2.1 鑄件毛坯的表面質量

2.1.1 目視檢驗

采用3種石墨材質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象。選擇對上層鑄件相同位置進行對比觀察。無論從宏觀還是局部來看，采用2 mm的石墨研制出的鑄件表面缺陷不但數量多且更明顯，0.8 mm石墨次之，0.04 mm石墨表面質量最好，見圖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，石墨制品經機加工后鑄型表面存在細微的孔隙，高溫鈦合金液體在充型過程中，金屬液進入石墨表面孔隙，鑄件表面產生毛刺缺陷。顆粒度較大的石墨鑄型表面光潔度差，充型當中液態(tài)金屬受阻較大，流動性變差，形成的流痕現象更嚴重。

2.1.2 表面熒光質量

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

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

2.2 鑄件成品冶金質量

鑄件毛坯經過熱等靜壓后全表面進行機加工，然后對加工后的鑄件成品進行表面熒光滲透檢驗和 X光射線檢驗。

2.2.1 熒光檢驗

對 30件內環(huán)成品鑄件進行熒光檢驗，3種不同石墨材質研制出的內環(huán)鑄件熒光缺陷數量見圖6。可以看出，采用0.04 mm石墨材質的內環(huán)鑄件表面熒光缺陷數為0的達到6件，即1次合格率達到60%，缺陷數量平均為2.2個；采用0.8和2 mm石墨材質研制的鑄件熒光1次合格率為0，缺陷數量平均分別為13.9和21.4個。

圖6 鑄件熒光缺陷統計Fig.6 Statistics of fluorescence defects in castings

上述數據說明，內環(huán)鑄件零件熒光的質量隨石墨材料顆粒度降低，熒光缺陷減少。鑄件經過熱等靜壓后進行機加工，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，導致的熒光問題就越突出，反之材料顆粒度越小，缺陷殘留就越少，對應的表面熒光缺陷就越少。

2.2.2 X光檢驗

對30件內環(huán)成品鑄件進行X光檢測，3種材料研制的鑄件 X光缺陷數量見圖 7?？梢钥闯?，采用0.04 mm材質的內環(huán)鑄件表面X光1次合格率達到70%，缺陷數量平均為0.5個，其中夾雜平均0.4個；采0.8 mm材質的內環(huán)鑄件表面X光1次合格率達到50%，缺陷數量平均為1.3個，其中夾雜平均0.7個；2 mm材質的內環(huán)鑄件表面X光1次合格率達到60%，缺陷數量平均為1.5個，其中夾雜平均0.2個。

圖7 鑄件內部缺陷統計Fig.7 Statistics of internal defects in castings

上述數據顯示，內環(huán)鑄件 X光缺陷數量隨石墨材料顆粒度減小而存在降低的趨勢，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，缺陷數量也處于1.5個/件以下的較低水平。3種石墨材質研制的內環(huán)鑄件夾雜數量在0.7個/件，處于較低水平，并與石墨材料無明顯的規(guī)律。由表1中3種石墨材料的性能指標可以看出，3種石墨材料的強度一般大于10 MPa，鑄型強度滿足高溫鈦合金液體的沖擊，因此由于鑄型材質的問題產生夾雜的風險很小。

3 結論

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

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

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