钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、线膨胀系数小以及良好的生物相容性等优点，是一种优良的结构和功能金属材料，可显著降低装备重量，提高装备寿命及性能，广泛应用于石油化工、船舶、航空航天等领域。由于钛的高化学活性，它能与多种物质发生化学反应，导致铸造难度较大，目前常用于钛合金铸造的生产工艺有熔模精密铸造和机加工石墨型铸造，其中熔模精密铸造在蜡模压制、型壳制备过程中易发生蜡模或型壳变形，影响铸件的制造尺寸精度，并且生产工艺复杂、工序流程较长；机加工石墨型铸造的石墨铸型大多是一次性的，无法重复使用，对于批量铸件产品的石墨模具需连续制作，石墨铸型成本高，生产周期也会变长。
随着钛合金铸件产品的应用领域日趋广泛，对钛合金铸件的批量生产能力及交货周期提出了更高的要求，金属型铸造的优点是铸型模具可以多次重复使用，减少模具多次制造时间，有利于批量生产且铸模成型周期短，因此有必要开展钛合金铸件金属型铸造工艺的研究[7]。但由于金属模具存在导热系数高、线膨胀系数低、退让性差的缺点，导致金属型铸造工艺生产的铸件表面易产生流痕、裂纹等缺陷。为了解决这一问题，可以采取在金属模具上涂刷涂层，既可以调节金属液的冷却速度，改善铸件成型表面质量，又能保护金属模具，减缓高温金属液对模具内腔型壁的冲蚀和热击，提高金属模具的使用寿命。
本项目选择氧化钇粉体（Y2O3粉）、硅溶胶来配制涂层用的涂料，以金属型铸造工艺生产ZTC4铸件为试验对象，采取在金属模具内腔表面涂刷涂层，涂刷厚度约0.2 mm，研究涂层对钛合金铸件的表面质量和内部质量的影响，最终为铸件应用金属型铸造工艺进行批量化生产提供技术支撑。
1、研究材料
现有金属型铸造技术大多采用灰铸铁或铸钢材料制作模具，但这些金属模具的抗拉强度和屈服强度都比较低，经常出现断裂现象导致模具报废，降低了金属模具重复利用的效果。而球墨铸铁通过球化和孕育处理得到球状石墨，使其具有更好的强度、延展性和抗冲击性，再通过减弱振动处理能利于降低材料内部应力，可以得到更好的重复利用，故本次试验用金属型模具材料选用球墨铸铁QT500-7，要求内部不许存在裂纹、冷隔、夹杂及穿透性缺陷。
试验涂层的配制材料，涂料粉体是Y2O3粉，粉粒的中位径为15.55μm，粒度分布最高峰为18～21μm，为325目的粉料；涂料粘结剂是硅溶胶，硅溶胶的SiO2含量为25%～27%，还有辅助材料消泡剂正辛醇等。
2、研究方案及实施
2.1、铸件工艺设计
铸件材质为ZTC4，平板状，外形尺寸为280 mm×180 mm×37 mm，壁厚15 mm，铸件工艺设计整体收缩量为1.0%加外表面再偏置0.3 mm。
图1 钛铸件的浇注系统设计图
铸件的浇注系统设计如图1，采用开放式浇注系统，保证铸件能顺利充型，按此浇注系统方案所设计的金属型模具如图2所示。
图2 钛合金铸件的金属型模具
2.2、涂料配制及金属模具刷涂
⑴涂料配制
以粉体（氧化钇粉）和液体（硅溶胶）按照一定的重量比例混合调制涂料，加入1～2滴消泡剂，以少量多次为原则。搅拌棒搅动涂料至涂料出现粘稠状，再倒入稀释液搅拌均匀并测定粘度值，得到符合工艺要求的粘度值的涂料。
⑵金属模具表面刷涂
根据制定好的试验方案，按照涂层刷涂工艺规程的操作要求，对试验用的金属模具型腔表面进行涂料刷涂作业，刷涂形成的涂层满足工艺规定的厚度后，转移至干燥通风处晾干。
2.3、金属模具的预处理
金属模具必须经过烘烤预处理，目的是把模具表面残留的半脱离状态车屑氧化去除，以及钝化模具表面和高温挥发去除表面涂层的残留水分，预处理前须对预处理设备做好清洁和检查，防止设备炉膛内出现污染物，检查设备的电源和温控系统是否正常；同步做好模具表面的清洁工作，金属模具的烘烤预处理工艺为：温度400℃，保温3 h，然后随炉冷却至工艺规定的温度时出炉。
3、试制效果
3.1、金属模具的表面质量
分别对未刷涂层和已刷涂层的两组金属模具安排铸件浇注作业，铸件冷却出炉后清理，观察两组金属模具的表面状态。未刷涂层的金属模具表面存在粘接现象，圆角处出现轻微粘接，轻微粘接的原因为模具型腔圆角偏小，浇注时被高温钛液融化，凝固收缩时应力释放，导致型腔圆角处轻微粘接；已刷涂层的金属模具表面残留涂层颗粒，模具型腔表面完好无粘接。如图3，由此可知金属模具刷上涂层后，可以很好地保护模具的型腔表面，有效防止高温钛金属液对型腔壁的热蚀和冲击，提高金属模具的使用寿命。
图3 浇注后的金属模具的表面质量
3.2、钛合金铸件的表面质量
两组金属模具浇注出的钛合金铸件的表面质量如图4所示，可以看出未刷涂层模具浇注出的铸件，表面流痕、冷隔、凹坑明显较多，分布密集；已刷涂层模具浇注出的铸件，表面流痕较少、光滑。钛合金铸件表面的流痕主要是先进入型腔的浇注钛液形成较薄而又不完整的金属层时，被后进入钛液覆盖留下的痕迹；另外金属模具的导热系数较大，钛液进入模具型腔迅速冷却凝固，导致浇注进入型腔的钛液没有完全熔合而出现流痕或冷隔。因此，在金属模具上刷涂涂层，可以降低模具的导热系数，减缓钛液在模具型腔的凝固速度，可以减少铸件表面的流痕、裂纹缺陷。
图4 钛合金铸件的表面质量
钛合金铸件热等静压后进行荧光检测，缺陷数量统计见表1。未刷涂层模具浇注出的铸件表面荧光缺陷共24处，已刷涂层模具浇注出的铸件表面荧光缺陷共7处。已刷涂层模具浇注出的铸件比未刷涂层模具浇注出的铸件，表面缺陷减少约70%，说明金属模具刷上涂层是可以有效改善铸件的表面质量。
表1 铸件的缺陷统计
在铸件本体上切割试样进行金相组织分析，如图5。未刷涂层模具浇注出铸件的试样表面存在着极薄的扩散层，元素向机体内部发生了扩散，厚度为40μm，主要为钛的氧化物。已刷涂层模具浇注出铸件的试样表面扩散层厚度为22μm，两组模具浇注出铸件的扩散层相当。图6是对铸件做表面能谱分析及结果，可以发现这些扩散层主要是钛和铝硅的氧化物。铸件表面的扩散层可以通过喷砂或酸洗等方式去除，不影响铸件的性能和使用。
图5 钛合金铸件的表面扩散层
图6 钛合金铸件的表面能谱分析
3.3、钛合金铸件的内部质量
铸件的内部质量用X射线检验，按“GJB 1187A射线检验”的标准进行，并根据“HB 6573熔模钢铸件用标准参考射线底片”的I类B级标准进行评判，铸件首次探伤的缺陷统计结果汇总见表2。
表2 铸件的缺陷统计
未刷涂层模具浇注出的铸件，内部缩孔缺陷有2处；已刷涂层模具浇注出的铸件，内部夹杂缺陷有1处。涂层与金属型模具结合力较好，铸件没有出现掉渣情况，内部质量良好。
3.4、生产验证
生产上又进行了两炉金属型浇注测试验证，铸件材质分别为ZTC4和ZTA2，铸件的表面质量和内部质量与上述试验结果相当，模具内腔刷上涂层可提高铸件的表面质量，减少铸件表面流痕冷隔、裂纹等缺陷约70%，且不产生掉渣等缺陷。
4、结论
⑴金属型铸造工艺生产钛合金铸件时，金属模具内腔刷上涂层，可以有效减少铸件的流痕冷隔缺陷，荧光裂纹数量可减少约70%，且无掉渣现象；
⑵未刷涂层金属模具浇注出的铸件表面扩散层厚度，与刷过涂层金属模具浇注出的铸件相当，均小于0.05 mm。
