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,但由于其提取過程對設(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。國際上很多國家都加入到了對鈦合金的推廣應(yīng)用中,不僅包括對鈦合金研究較早的俄羅斯、美國等,中國、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,能滿足艦船長期在水中和潮濕環(huán)境中對其自身結(jié)構(gòu)材料的要求。鈦合金鑄件有比較長的生命周期,相應(yīng)的船的維修費(fèi)用降低,船的使用期限變長,有很大的經(jīng)濟(jì)價值。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)在和未來的熱點和趨勢。
本文以鈦合金鑄造的泵為例,通過對鈦合金澆注前后化學(xué)成分的對比和室溫下力學(xué)性能的對比,來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
鈦作為一種金屬,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
對鈦研究較早的國家是俄羅斯,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。現(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,都是極其重要的動力源泉,艦船作為一種大型的設(shè)備,更要求其動力設(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,通過設(shè)計圖紙、選擇材料設(shè)計生產(chǎn)出合適的鑄型,本文選擇石墨材質(zhì)鑄型。整個澆鑄系統(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 ℃時將鑄件取出,此時根據(jù)需求還可以對鑄件進(jìn)行打磨等工藝,實現(xiàn)小的微調(diào)。經(jīng)過處理后,得到的鑄件尺寸和需求的一致,能完美的滿足需求。
對鑄件泵進(jìn)行力學(xué)性能的測試,同時對 ZTA2 澆鑄前的試樣和澆注后的隨爐鑄件在室溫下按國標(biāo)的方法進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能的測試,在化學(xué)成分的測試中,Ti 的含量在鑄件和基材中的一樣,并沒有在澆鑄過程中損失,其他元素的測試的數(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,其含量的減少說明在澆鑄過程中,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)對鑄件的要求。
2、結(jié)論
1)鈦合金通過澆注工藝,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)通過適當(dāng)?shù)臐沧⒐に嚕梢缘玫綕M足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的鈦合金鑄件。
參考文獻(xiàn):
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