鈦合金材料在艦船鑄件上的應(yīng)用研究

引言

鈦是一種耐濕氯氣腐蝕的金屬材料，本身的質(zhì)量較輕，且比強(qiáng)度較高，是一種很適合用在艦船、航空、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域的材料，但由于其提取過(guò)程對(duì)設(shè)備和環(huán)境的要求較高，且易被空氣氧化而不用保存，這諸多的原因造成了鈦的生產(chǎn)成本較高，對(duì)于工業(yè)化應(yīng)用的材料而言，成本的高低在一定程度上可以決定金屬材料的應(yīng)用范圍。鈦就屬于這種由于生產(chǎn)成本較高而使用范圍受到限制的金屬。國(guó)際上很多國(guó)家都加入到了對(duì)鈦合金的推廣應(yīng)用中，不僅包括對(duì)鈦合金研究較早的俄羅斯、美國(guó)等，中國(guó)、日本也在如何擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域方面做了大量的研究。鈦合金是一種揚(yáng)長(zhǎng)避短的戰(zhàn)略技術(shù)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，鈦合金鑄造工藝也不斷提升，鈦合金鑄件的需求和應(yīng)用范圍也隨之得到不斷的擴(kuò)大，鈦合金鑄件的類型由最初簡(jiǎn)單的厚壁鑄件往薄壁化、大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展 [1] ，如何鑄造出機(jī)械性能良好、鑄造成型后易于處理的鑄件將是未來(lái)鈦合金鑄件的研究方向。鈦合金具有良好的耐腐蝕性，鈦合金鑄件在流動(dòng)的海水中也具有良好的耐沖擊腐蝕性，所以是艦船鑄件的理想材料。鈦合金在艦船及海洋運(yùn)輸行業(yè)中都有應(yīng)用，主要集中在推進(jìn)器軸、泵、閥門(mén)和其他的附件，這些以鈦合金材料的鑄件，不僅有優(yōu)異的力學(xué)性能，且結(jié)構(gòu)性能好，還具有耐腐蝕性，能滿足艦船長(zhǎng)期在水中和潮濕環(huán)境中對(duì)其自身結(jié)構(gòu)材料的要求。鈦合金鑄件有比較長(zhǎng)的生命周期，相應(yīng)的船的維修費(fèi)用降低，船的使用期限變長(zhǎng)，有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此研究如何制得性能更優(yōu)異的鈦合金鑄件依然是現(xiàn)在和未來(lái)的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

本文以鈦合金鑄造的泵為例，通過(guò)對(duì)鈦合金澆注前后化學(xué)成分的對(duì)比和室溫下力學(xué)性能的對(duì)比，來(lái)研究鈦合金材料在艦船鑄件上的應(yīng)用。

1、鈦合金鑄件的性能

1.1 常用鈦合金鑄件的力學(xué)性能

鈦?zhàn)鳛橐环N金屬，它的質(zhì)量較輕，鈦及常規(guī)鈦合金的密度也較小，大概為 4.5 g/cm 3 ，造船所使用的鈦一般為工業(yè)純鈦、鈦鋁合金及鈦鋁釩合金等，不同合金的力學(xué)性能也有較大差異，表 1 為幾種鈦合金的力學(xué)性能比較 [2] 。

1.2 以 ZTi2 為材料制造艦船泵

對(duì)鈦研究較早的國(guó)家是俄羅斯，在研究初期，鈦主要應(yīng)用在飛機(jī)上，可以作為飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)組件和機(jī)翼等，但由于鈦的成本較高，在一定程度上限制了鈦的應(yīng)用。鈦合金的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了鈦更廣泛應(yīng)用的設(shè)想，隨著研究的深入，鈦合金也慢慢地被應(yīng)用在艦船上。

鑄造技術(shù)的進(jìn)步，也更進(jìn)一步推進(jìn)了鈦合金的發(fā)展，通過(guò)合適的鑄造工藝，鈦合金可以被鑄造成薄壁、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的組件?，F(xiàn)在鈦合金鑄件在現(xiàn)在艦船、飛機(jī)及其他設(shè)備零部件上都有應(yīng)用，常用的鈦合金鑄件如圖 1 所示。

由于鈦合金優(yōu)良的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，鈦合金可以按生產(chǎn)的實(shí)際需求被加工成滿足需求的各種的形狀的鑄件。泵在機(jī)械裝備中，都是極其重要的動(dòng)力源泉，艦船作為一種大型的設(shè)備，更要求其動(dòng)力設(shè)備有較好的壽命和質(zhì)量。鈦合金在艦船上的最主要的應(yīng)用之一就是制造鈦合金泵體。本文以 ZTA2 為材料加工鈦合金泵體。

選定材料后，根據(jù)要成型的鑄件的尺寸和結(jié)構(gòu)特征選擇合適的澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件的成型和質(zhì)量也具有非常重要的影響。本文選擇的澆注系統(tǒng)為底注開(kāi)放式，澆道包括直澆道和橫澆道，直澆道的半徑為 30 mm，橫澆道的橫截面為 40 mm 的正方形。根據(jù)要鑄造的泵

的造型，通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙、選擇材料設(shè)計(jì)生產(chǎn)出合適的鑄型，本文選擇石墨材質(zhì)鑄型。整個(gè)澆鑄系統(tǒng)要在真空環(huán)境下進(jìn)行。在澆注之前，在真空環(huán)境中將鑄型加熱到 1 000 ℃下，并在此溫度下保留 3 h。所有的澆注完成后，將鑄件在熔爐中自然冷卻 3 h，在溫度冷卻至 250 ℃時(shí)將鑄件取出，此時(shí)根據(jù)需求還可以對(duì)鑄件進(jìn)行打磨等工藝，實(shí)現(xiàn)小的微調(diào)。經(jīng)過(guò)處理后，得到的鑄件尺寸和需求的一致，能完美的滿足需求。

對(duì)鑄件泵進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試，同時(shí)對(duì) ZTA2 澆鑄前的試樣和澆注后的隨爐鑄件在室溫下按國(guó)標(biāo)的方法進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能的測(cè)試，在化學(xué)成分的測(cè)試中，Ti 的含量在鑄件和基材中的一樣，并沒(méi)有在澆鑄過(guò)程中損失，其他元素的測(cè)試的數(shù)據(jù)和力學(xué)性能數(shù)據(jù)分別如表 2 和表 3 所示。

從表 2 的數(shù)據(jù)可看出，澆鑄成型后的鑄件中的Si，F(xiàn)e，Mn，C，N 等元素的含量都大量的降低，其中 Si，F(xiàn)e，Mn 是 ZTi2 的主要成分，C，N 含量的減少降低了鑄件的脆性，保證鑄件具有更好的性能。N、C 是 ZTi2 中的雜質(zhì)組分，其含量的減少說(shuō)明在澆鑄過(guò)程中，基材的質(zhì)量得到提升。

表 3 中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)說(shuō)明，澆注成型的鑄件泵的力學(xué)性能與基材相比，力學(xué)性能都有所提高。我們將表 2 和 GB/T15073-1994《鑄造鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》、將表 3 的數(shù)據(jù)和 GB/T6614-1994《鈦及鈦合金鑄件》進(jìn)行對(duì)比 [3] ，比較之后發(fā)現(xiàn)，我們澆注得到的鑄件泵符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄件的要求。

2、結(jié)論

1）鈦合金通過(guò)澆注工藝，可以制得多種結(jié)構(gòu)的鈦合金鑄件。

2）鈦合金基材通過(guò)合理的澆注工藝，可以得到力學(xué)性能比基材高的鈦合金鑄件。

3）通過(guò)適當(dāng)?shù)臐沧⒐に嚕梢缘玫綕M足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金鑄件。

參考文獻(xiàn)：

[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.

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[3] 胡和平, 楊學(xué)東, 鄭申清. 鈦合金泵體鑄造工藝研究 [J]. 材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用, 2010: 35–37.