引(yin)言
钛(tai)锻件(jian)、钛棒(bang)等(deng)钛合金(jin)材(cai)料是(shi)一(yi)种(zhong)耐(nai)湿氯(lv)气腐(fu)蚀的(de)金(jin)属(shu)材(cai)料，本身的质(zhi)量(liang)较轻(qing)，且(qie)比强(qiang)度(du)较高(gao)，是(shi)一(yi)种很适合(he)用在舰(jian)船、航(hang)空、医(yi)疗(liao)、汽车(che)等领域的(de)材料，但由于其提取过程对(dui)设(she)备(bei)和环(huan)境的要求(qiu)较(jiao)高，且(qie)易被(bei)空气氧化而不(bu)用(yong)保(bao)存(cun)，这诸(zhu)多(duo)的原因(yin)造成了钛(tai)的(de)生产成(cheng)本(ben)较(jiao)高，对(dui)于工(gong)业(ye)化应(ying)用(yong)的(de)材料而言，成本(ben)的(de)高(gao)低在(zai)一定(ding)程度(du)上(shang)可以(yi)决定(ding)金属材料的(de)应(ying)用(yong)范围。钛就属(shu)于这种由(you)于(yu)生产成本较高而使(shi)用(yong)范围受到限制的(de)金属(shu)。国际(ji)上(shang)很(hen)多(duo)国家(jia)都(dou)加(jia)入(ru)到(dao)了对钛合金的(de)推广(guang)应(ying)用中(zhong)，不仅(jin)包括(kuo)对(dui)钛(tai)合(he)金研(yan)究(jiu)较早(zao)的(de)俄(e)罗(luo)斯、美(mei)国(guo)等(deng)，中国(guo)、日本也(ye)在(zai)如(ru)何扩大钛(tai)合(he)金的应(ying)用(yong)领(ling)域(yu)方(fang)面(mian)做了大(da)量(liang)的(de)研(yan)究。钛合金是(shi)一种扬(yang)长避短(duan)的(de)战(zhan)略(lve)技(ji)术(shu)。
随(sui)着(zhe)技(ji)术(shu)的发展(zhan)，钛(tai)合(he)金铸造(zao)工艺(yi)也(ye)不(bu)断(duan)提升(sheng)，钛(tai)合(he)金铸件的(de)需求和应(ying)用(yong)范围(wei)也随(sui)之得到不断(duan)的扩大，钛(tai)合金(jin)铸件(jian)的(de)类型(xing)由最初简单(dan)的(de)厚壁铸(zhu)件(jian)往薄(bao)壁(bi)化(hua)、大(da)型(xing)化、复(fu)杂化(hua)的(de)方(fang)向(xiang)发展(zhan) [1] ，如(ru)何铸造(zao)出(chu)机(ji)械性能良(liang)好(hao)、铸(zhu)造(zao)成(cheng)型(xing)后(hou)易(yi)于(yu)处理的(de)铸(zhu)件将是(shi)未来(lai)钛合金(jin)铸(zhu)件的(de)研究方(fang)向。钛(tai)合金具(ju)有良(liang)好的(de)耐腐蚀(shi)性，钛合金铸(zhu)件在(zai)流动的(de)海水中(zhong)也具有(you)良(liang)好的耐冲(chong)击腐蚀(shi)性，所以(yi)是(shi)舰(jian)船(chuan)铸(zhu)件的理(li)想材(cai)料。钛(tai)合(he)金(jin)在(zai)舰船及(ji)海洋(yang)运输行业中(zhong)都有(you)应(ying)用(yong)，主(zhu)要集中(zhong)在(zai)推(tui)进(jin)器轴、泵、阀(fa)门和其(qi)他的附(fu)件(jian)，这(zhe)些以钛(tai)合(he)金(jin)材料的(de)铸(zhu)件，不仅有优(you)异(yi)的(de)力(li)学(xue)性能，且(qie)结构性能(neng)好，还具(ju)有耐腐(fu)蚀性，能(neng)满足(zu)舰船长(zhang)期在(zai)水中(zhong)和(he)潮湿(shi)环境中对其自(zi)身(shen)结(jie)构材料(liao)的(de)要求(qiu)。钛合金铸件有比(bi)较(jiao)长(zhang)的生(sheng)命(ming)周期，相应的船(chuan)的维修(xiu)费(fei)用(yong)降低，船(chuan)的使用(yong)期限变长(zhang)，有(you)很大的(de)经济(ji)价值。因此研究如何(he)制得性(xing)能(neng)更优异的钛合(he)金铸件(jian)依(yi)然是现在和未来(lai)的(de)热(re)点和(he)趋(qu)势。
本文以钛合(he)金(jin)铸(zhu)造(zao)的泵为(wei)例(li)，通过对钛合金(jin)浇(jiao)注(zhu)前后(hou)化(hua)学(xue)成(cheng)分的对比(bi)和(he)室(shi)温(wen)下力学性(xing)能(neng)的对比(bi)，来(lai)研究(jiu)钛(tai)合金(jin)材料在舰(jian)船(chuan)铸件(jian)上的应(ying)用(yong)。
1、钛合金(jin)铸件(jian)的性(xing)能(neng)
1.1 常用钛(tai)合(he)金铸(zhu)件的(de)力学(xue)性能(neng)
钛作(zuo)为(wei)一(yi)种金属(shu)，它的质(zhi)量(liang)较轻，钛(tai)及(ji)常规钛(tai)合(he)金的(de)密(mi)度也(ye)较(jiao)小，大概为(wei) 4.5 g/cm 3 ，造船所(suo)使用(yong)的(de)钛一般(ban)为(wei)工(gong)业纯(chun)钛(tai)、钛铝(lv)合(he)金及钛(tai)铝(lv)钒合金等，不(bu)同(tong)合金(jin)的(de)力学(xue)性(xing)能也(ye)有(you)较大(da)差异，表(biao) 1 为(wei)几种钛合(he)金的力学性能比(bi)较(jiao) [2] 。
1.2 以(yi) ZTi2 为(wei)材料(liao)制(zhi)造(zao)舰船泵(beng)
对(dui)钛(tai)研(yan)究(jiu)较早的国家(jia)是俄(e)罗斯，在研(yan)究初期(qi)，钛主(zhu)要应用(yong)在飞(fei)机上，可以(yi)作为飞(fei)机的(de)发动(dong)机(ji)组(zu)件(jian)和机(ji)翼(yi)等(deng)，但(dan)由于(yu)钛的(de)成(cheng)本(ben)较(jiao)高(gao)，在一(yi)定程(cheng)度上(shang)限制了(le)钛(tai)的应(ying)用(yong)。钛合(he)金的出现(xian)实(shi)现了(le)钛(tai)更(geng)广(guang)泛应用的设(she)想(xiang)，随(sui)着研究(jiu)的深(shen)入，钛(tai)合(he)金(jin)也(ye)慢慢(man)地被(bei)应用(yong)在(zai)舰(jian)船(chuan)上(shang)。
铸造(zao)技(ji)术的(de)进(jin)步(bu)，也更进一(yi)步推(tui)进(jin)了钛合金(jin)的发(fa)展，通过(guo)合适(shi)的铸造工艺，钛合金可以(yi)被(bei)铸(zhu)造(zao)成薄(bao)壁(bi)、结构(gou)较(jiao)为(wei)复杂的(de)组(zu)件(jian)。现(xian)在钛(tai)合(he)金(jin)铸件(jian)在现(xian)在(zai)舰(jian)船、飞(fei)机及(ji)其他(ta)设(she)备(bei)零(ling)部(bu)件(jian)上都(dou)有应用，常(chang)用的(de)钛(tai)合金(jin)铸件如(ru)图 1 所(suo)示(shi)。
由于(yu)钛合金优良(liang)的(de)耐(nai)腐蚀(shi)性(xing)能和力(li)学性能，钛合(he)金(jin)可以按生产(chan)的实(shi)际需(xu)求(qiu)被(bei)加(jia)工成(cheng)满(man)足(zu)需求的(de)各种的形状(zhuang)的(de)铸件(jian)。泵(beng)在机(ji)械装(zhuang)备中，都是极其重(zhong)要的动力源泉(quan)，舰(jian)船(chuan)作为(wei)一种大型的设(she)备，更要(yao)求(qiu)其动(dong)力设(she)备有(you)较好的(de)寿命(ming)和质(zhi)量(liang)。钛合(he)金(jin)在舰(jian)船上(shang)的(de)最主要的(de)应用(yong)之一就(jiu)是制造钛合金泵体(ti)。本文以 ZTA2 为材料(liao)加(jia)工钛合(he)金泵体。
选(xuan)定材(cai)料后(hou)，根据要(yao)成(cheng)型的(de)铸(zhu)件的(de)尺寸和结(jie)构(gou)特(te)征选(xuan)择合适的浇(jiao)注(zhu)系(xi)统对铸(zhu)件(jian)的(de)成(cheng)型(xing)和(he)质量也(ye)具(ju)有(you)非常重(zhong)要的(de)影响(xiang)。本(ben)文选(xuan)择的浇注系统为(wei)底注开(kai)放式(shi)，浇道包括(kuo)直(zhi)浇(jiao)道(dao)和横(heng)浇道，直浇(jiao)道的(de)半(ban)径为(wei) 30 mm，横(heng)浇(jiao)道的横(heng)截(jie)面为(wei) 40 mm 的(de)正(zheng)方形。根据要铸(zhu)造(zao)的(de)泵
的(de)造(zao)型，通(tong)过(guo)设计(ji)图纸、选择(ze)材(cai)料(liao)设计生产(chan)出(chu)合(he)适(shi)的铸型，本文(wen)选(xuan)择石墨材质(zhi)铸(zhu)型。整个浇铸系统(tong)要在真(zhen)空环境(jing)下进(jin)行。在(zai)浇(jiao)注(zhu)之前(qian)，在(zai)真空(kong)环(huan)境中将(jiang)铸型(xing)加热(re)到 1 000 ℃下，并(bing)在(zai)此温(wen)度下(xia)保留 3 h。所(suo)有(you)的(de)浇(jiao)注完(wan)成后(hou)，将铸(zhu)件在(zai)熔炉中自然冷(leng)却 3 h，在温(wen)度(du)冷却(que)至(zhi) 250 ℃时将(jiang)铸(zhu)件(jian)取(qu)出，此时(shi)根(gen)据(ju)需求还可(ke)以对(dui)铸件(jian)进行(xing)打磨等工艺(yi)，实现小的(de)微(wei)调。经(jing)过(guo)处理后(hou)，得到的铸(zhu)件尺(chi)寸(cun)和(he)需求(qiu)的一致，能(neng)完(wan)美的(de)满足需求。
对铸件泵(beng)进行(xing)力学(xue)性(xing)能的测试(shi)，同时(shi)对 ZTA2 浇(jiao)铸(zhu)前(qian)的(de)试样和(he)浇(jiao)注后的随炉铸(zhu)件(jian)在(zai)室温下按(an)国(guo)标(biao)的(de)方法进(jin)行化(hua)学成分(fen)和力学(xue)性(xing)能的(de)测(ce)试(shi)，在(zai)化(hua)学成分的测试(shi)中(zhong)，Ti 的含量在铸(zhu)件和基(ji)材(cai)中(zhong)的(de)一样(yang)，并没(mei)有在浇(jiao)铸过(guo)程中损失(shi)，其(qi)他元素的测试(shi)的数(shu)据(ju)和(he)力学性能数(shu)据(ju)分别(bie)如表 2 和(he)表(biao) 3 所(suo)示。
从(cong)表 2 的数(shu)据(ju)可(ke)看(kan)出(chu)，浇(jiao)铸(zhu)成(cheng)型后的(de)铸件中(zhong)的Si，Fe，Mn，C，N 等元素的含量都(dou)大量的降低(di)，其中 Si，Fe，Mn 是 ZTi2 的(de)主要成分(fen)，C，N 含(han)量的减(jian)少(shao)降(jiang)低了铸件(jian)的脆(cui)性(xing)，保证(zheng)铸件具(ju)有(you)更(geng)好(hao)的(de)性能(neng)。N、C 是(shi) ZTi2 中(zhong)的杂(za)质(zhi)组分(fen)，其(qi)含量(liang)的(de)减少(shao)说(shuo)明(ming)在(zai)浇(jiao)铸(zhu)过程(cheng)中，基(ji)材的(de)质(zhi)量得(de)到提升。
表(biao) 3 中的(de)力(li)学性能数据说明(ming)，浇(jiao)注成型(xing)的(de)铸(zhu)件(jian)泵的力学性能与(yu)基材相(xiang)比(bi)，力(li)学性能(neng)都有所(suo)提(ti)高。我(wo)们将(jiang)表(biao) 2 和 GB/T15073-1994《铸(zhu)造钛及钛合金(jin)牌号和(he)化学(xue)成(cheng)分》、将(jiang)表(biao) 3 的(de)数据(ju)和(he) GB/T6614-1994《钛及钛合(he)金铸(zhu)件》进(jin)行(xing)对比(bi) [3] ，比(bi)较(jiao)之(zhi)后发现，我(wo)们(men)浇(jiao)注(zhu)得(de)到的铸件泵符(fu)合标准对(dui)铸(zhu)件(jian)的要求。
2、结论
1）钛(tai)合金(jin)通(tong)过(guo)浇注工(gong)艺，可(ke)以制得多(duo)种(zhong)结(jie)构(gou)的(de)钛合金(jin)铸(zhu)件。
2）钛(tai)合(he)金(jin)基材通(tong)过合理的浇(jiao)注(zhu)工艺(yi)，可(ke)以(yi)得(de)到(dao)力学(xue)性能(neng)比(bi)基(ji)材高(gao)的(de)钛(tai)合金(jin)铸件。
3）通过适(shi)当(dang)的浇注工(gong)艺，可以(yi)得到(dao)满(man)足国家(jia)相(xiang)关(guan)标(biao)准(zhun)的(de)钛(tai)合(he)金铸件(jian)。
参(can)考(kao)文(wen)献(xian)：
[1] LMAM M A, CHU H P, RATH B B. Fatigue properities of titanium alloy Ti-6Al-2Cb-Ta-0.8Mo [J]. Corrosion Engineering, 1999, 48(9): 597–602.
[2] 范玉(yu)利, 钛合金(jin)铸件在造(zao)船工业中(zhong)的(de)应(ying)用(yong)[J]. 舰船科(ke)学(xue)技术 1997, 19(2).
[3] 胡(hu)和平, 杨(yang)学(xue)东, 郑申清(qing). 钛(tai)合(he)金(jin)泵(beng)体(ti)铸(zhu)造工艺(yi)研究 [J]. 材(cai)料开发与(yu)应(ying)用(yong), 2010: 35–37.
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