鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕、線膨脹系數小以及良好的生物相容性等優點，是一種優良的結構和功能金屬材料，可顯著降低裝備重量，提高裝備壽命及性能，廣泛應用于石油化工、船舶、航空航天等領域。由于鈦的高化學活性，它能與多種物質發生化學反應，導致鑄造難度較大，目前常用于鈦合金鑄造的生產工藝有熔模精密鑄造和機加工石墨型鑄造，其中熔模精密鑄造在蠟模壓制、型殼制備過程中易發生蠟模或型殼變形，影響鑄件的制造尺寸精度，并且生產工藝復雜、工序流程較長；機加工石墨型鑄造的石墨鑄型大多是一次性的，無法重復使用，對于批量鑄件產品的石墨模具需連續制作，石墨鑄型成本高，生產周期也會變長。

　　隨著鈦合金鑄件產品的應用領域日趨廣泛，對鈦合金鑄件的批量生產能力及交貨周期提出了更高的要求，金屬型鑄造的優點是鑄型模具可以多次重復使用，減少模具多次制造時間，有利于批量生產且鑄模成型周期短，因此有必要開展鈦合金鑄件金屬型鑄造工藝的研究[7]。但由于金屬模具存在導熱系數高、線膨脹系數低、退讓性差的缺點，導致金屬型鑄造工藝生產的鑄件表面易產生流痕、裂紋等缺陷。為了解決這一問題，可以采取在金屬模具上涂刷涂層，既可以調節金屬液的冷卻速度，改善鑄件成型表面質量，又能保護金屬模具，減緩高溫金屬液對模具內腔型壁的沖蝕和熱擊，提高金屬模具的使用壽命。

　　本項目選擇氧化釔粉體（Y2O3粉）、硅溶膠來配制涂層用的涂料，以金屬型鑄造工藝生產ZTC4鑄件為試驗對象，采取在金屬模具內腔表面涂刷涂層，涂刷厚度約0.2 mm，研究涂層對鈦合金鑄件的表面質量和內部質量的影響，最終為鑄件應用金屬型鑄造工藝進行批量化生產提供技術支撐。

　　1、研究材料

　　現有金屬型鑄造技術大多采用灰鑄鐵或鑄鋼材料制作模具，但這些金屬模具的抗拉強度和屈服強度都比較低，經常出現斷裂現象導致模具報廢，降低了金屬模具重復利用的效果。而球墨鑄鐵通過球化和孕育處理得到球狀石墨，使其具有更好的強度、延展性和抗沖擊性，再通過減弱振動處理能利于降低材料內部應力，可以得到更好的重復利用，故本次試驗用金屬型模具材料選用球墨鑄鐵QT500-7，要求內部不許存在裂紋、冷隔、夾雜及穿透性缺陷。

　　試驗涂層的配制材料，涂料粉體是Y2O3粉，粉粒的中位徑為15.55μm，粒度分布最高峰為18～21μm，為325目的粉料；涂料粘結劑是硅溶膠，硅溶膠的SiO2含量為25%～27%，還有輔助材料消泡劑正辛醇等。

　　2、研究方案及實施

　　2.1、鑄件工藝設計

　　鑄件材質為ZTC4，平板狀，外形尺寸為280 mm×180 mm×37 mm，壁厚15 mm，鑄件工藝設計整體收縮量為1.0%加外表面再偏置0.3 mm。

圖1 鈦鑄件的澆注系統設計圖

　　鑄件的澆注系統設計如圖1，采用開放式澆注系統，保證鑄件能順利充型，按此澆注系統方案所設計的金屬型模具如圖2所示。

圖2 鈦合金鑄件的金屬型模具

　　2.2、涂料配制及金屬模具刷涂

　　⑴涂料配制

　　以粉體（氧化釔粉）和液體（硅溶膠）按照一定的重量比例混合調制涂料，加入1～2滴消泡劑，以少量多次為原則。攪拌棒攪動涂料至涂料出現粘稠狀，再倒入稀釋液攪拌均勻并測定粘度值，得到符合工藝要求的粘度值的涂料。

　　⑵金屬模具表面刷涂

　　根據制定好的試驗方案，按照涂層刷涂工藝規程的操作要求，對試驗用的金屬模具型腔表面進行涂料刷涂作業，刷涂形成的涂層滿足工藝規定的厚度后，轉移至干燥通風處晾干。

　　2.3、金屬模具的預處理

　　金屬模具必須經過烘烤預處理，目的是把模具表面殘留的半脫離狀態車屑氧化去除，以及鈍化模具表面和高溫揮發去除表面涂層的殘留水分，預處理前須對預處理設備做好清潔和檢查，防止設備爐膛內出現污染物，檢查設備的電源和溫控系統是否正常；同步做好模具表面的清潔工作，金屬模具的烘烤預處理工藝為：溫度400℃，保溫3 h，然后隨爐冷卻至工藝規定的溫度時出爐。

　　3、試制效果

　　3.1、金屬模具的表面質量

　　分別對未刷涂層和已刷涂層的兩組金屬模具安排鑄件澆注作業，鑄件冷卻出爐后清理，觀察兩組金屬模具的表面狀態。未刷涂層的金屬模具表面存在粘接現象，圓角處出現輕微粘接，輕微粘接的原因為模具型腔圓角偏小，澆注時被高溫鈦液融化，凝固收縮時應力釋放，導致型腔圓角處輕微粘接；已刷涂層的金屬模具表面殘留涂層顆粒，模具型腔表面完好無粘接。如圖3，由此可知金屬模具刷上涂層后，可以很好地保護模具的型腔表面，有效防止高溫鈦金屬液對型腔壁的熱蝕和沖擊，提高金屬模具的使用壽命。

圖3 澆注后的金屬模具的表面質量

　　3.2、鈦合金鑄件的表面質量

　　兩組金屬模具澆注出的鈦合金鑄件的表面質量如圖4所示，可以看出未刷涂層模具澆注出的鑄件，表面流痕、冷隔、凹坑明顯較多，分布密集；已刷涂層模具澆注出的鑄件，表面流痕較少、光滑。鈦合金鑄件表面的流痕主要是先進入型腔的澆注鈦液形成較薄而又不完整的金屬層時，被后進入鈦液覆蓋留下的痕跡；另外金屬模具的導熱系數較大，鈦液進入模具型腔迅速冷卻凝固，導致澆注進入型腔的鈦液沒有完全熔合而出現流痕或冷隔。因此，在金屬模具上刷涂涂層，可以降低模具的導熱系數，減緩鈦液在模具型腔的凝固速度，可以減少鑄件表面的流痕、裂紋缺陷。

圖4 鈦合金鑄件的表面質量

　　鈦合金鑄件熱等靜壓后進行熒光檢測，缺陷數量統計見表1。未刷涂層模具澆注出的鑄件表面熒光缺陷共24處，已刷涂層模具澆注出的鑄件表面熒光缺陷共7處。已刷涂層模具澆注出的鑄件比未刷涂層模具澆注出的鑄件，表面缺陷減少約70%，說明金屬模具刷上涂層是可以有效改善鑄件的表面質量。

表1 鑄件的缺陷統計

　　在鑄件本體上切割試樣進行金相組織分析，如圖5。未刷涂層模具澆注出鑄件的試樣表面存在著極薄的擴散層，元素向機體內部發生了擴散，厚度為40μm，主要為鈦的氧化物。已刷涂層模具澆注出鑄件的試樣表面擴散層厚度為22μm，兩組模具澆注出鑄件的擴散層相當。圖6是對鑄件做表面能譜分析及結果，可以發現這些擴散層主要是鈦和鋁硅的氧化物。鑄件表面的擴散層可以通過噴砂或酸洗等方式去除，不影響鑄件的性能和使用。

圖5 鈦合金鑄件的表面擴散層

圖6 鈦合金鑄件的表面能譜分析

　　3.3、鈦合金鑄件的內部質量

　　鑄件的內部質量用X射線檢驗，按“GJB 1187A射線檢驗”的標準進行，并根據“HB 6573熔模鋼鑄件用標準參考射線底片”的I類B級標準進行評判，鑄件首次探傷的缺陷統計結果匯總見表2。

表2 鑄件的缺陷統計

　　未刷涂層模具澆注出的鑄件，內部縮孔缺陷有2處；已刷涂層模具澆注出的鑄件，內部夾雜缺陷有1處。涂層與金屬型模具結合力較好，鑄件沒有出現掉渣情況，內部質量良好。

　　3.4、生產驗證

　　生產上又進行了兩爐金屬型澆注測試驗證，鑄件材質分別為ZTC4和ZTA2，鑄件的表面質量和內部質量與上述試驗結果相當，模具內腔刷上涂層可提高鑄件的表面質量，減少鑄件表面流痕冷隔、裂紋等缺陷約70%，且不產生掉渣等缺陷。

　　4、結論

　　⑴金屬型鑄造工藝生產鈦合金鑄件時，金屬模具內腔刷上涂層，可以有效減少鑄件的流痕冷隔缺陷，熒光裂紋數量可減少約70%，且無掉渣現象；

　　⑵未刷涂層金屬模具澆注出的鑄件表面擴散層厚度，與刷過涂層金屬模具澆注出的鑄件相當，均小于0.05 mm。