鈦合金由于密度較小、耐腐蝕佳等原因備受航空、航天、建筑、交通等各行各業(yè)的青睞，也吸引了眾多科研人員的研究興趣。宗學(xué)文等[1]基于快速鑄造方法進(jìn)行了鈦合金成形的數(shù)值模擬，并進(jìn)行了鈦合金組織性能分析。李義軍等[2]進(jìn)行了ZTA15鈦合金熔模精密鑄造過(guò)程中澆注用鐵基引流工裝的優(yōu)化研究。張仕朝等[3]研究了鑄造鈦合金ZTC4不同應(yīng)變比下的低周疲勞行為。范李鵬等[4]研究了鈦合金精密鑄造過(guò)程中的氧化釔型殼制備工藝。張帥鋒等[5]探討和分析了鑄造鈦合金α層對(duì)補(bǔ)焊裂紋的影響規(guī)律。史昆等[6]研究和分析了復(fù)雜曲面鈦合金葉輪的消失模鑄造工藝。寧二賓等[7]基于SLA技術(shù)研究了鈦合金熔模精密鑄造工藝。賀焱等[8]研究了純鈦離心泵的石墨型鑄造工藝。張浩等[9]研究了熔模鑄造鈦合金直齒面齒輪快速成形工藝。在鈦合金工業(yè)化應(yīng)用中，越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)鑄造成形鈦合金耐磨損性能提出了更高要求。但是，目前關(guān)于鑄造鈦合金耐磨損性能的研究還鮮有報(bào)道，難以對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)提供有效支持。超聲振動(dòng)輔助是一種改善鑄造成形合金組織和性能的有效途徑。付浩等[10]研究了超聲-機(jī)械振動(dòng)復(fù)合處理細(xì)化AZ91D-3Ca鎂合金的凝固組織。付波[11]分析了振動(dòng)頻率對(duì)超聲輔助鑄造鋁基模具合金耐磨損性能的影響。趙龍志等[12]探討和研究了振動(dòng)頻率對(duì)間接超聲輔助鑄造Al-24%Si合金的影響。馮丹艷[13]分析了超聲振動(dòng)對(duì)ZL101鋁合金熔體凝固組織的影響。董雄博等[14]研究和分析了超聲振動(dòng)對(duì)活塞用近共晶鋁硅合金硅相形貌及生長(zhǎng)機(jī)制的影響。游專等[15]分析了擠壓溫度和超聲振動(dòng)頻率對(duì)汽車控制臂性能的影響。李永康等[16]分析了超聲振動(dòng)擠壓加工對(duì)汽車活塞桿性能的影響。但是，目前關(guān)于超聲振動(dòng)輔助在鈦合金鑄造成形中的應(yīng)用還鮮有報(bào)道。為此，本文嘗試采用超聲振動(dòng)輔助澆注的鑄造成形方法制備鈦合金TC4試樣，并進(jìn)行了合金試樣的顯微組織、力學(xué)性能和耐磨損性能分析，以優(yōu)化鑄造鈦合金的組織與性能，為鑄造成形鈦合金性能改善提供新的途徑。

1、試驗(yàn)材料及方法

以海綿鈦、純鋁、Al-10V中間合金為原材料，在真空感應(yīng)熔煉爐中，真空度（3.5±0.5）Pa；然后分別在紫銅模具中采用常規(guī)澆注和超聲振動(dòng)輔助澆注兩種方法進(jìn)行澆注，紫銅模具內(nèi)徑φ80mm、深度150mm，澆注溫度1700℃。超聲振動(dòng)輔助澆注裝置如圖1所示，超聲振動(dòng)輔助澆注時(shí)的超聲振動(dòng)頻率50Hz，超聲處理功率1kW，超聲振動(dòng)輔助從澆注開(kāi)始直至澆注完成時(shí)結(jié)束。鑄造成形TC4鈦合金試樣化學(xué)成分如表1所示。試樣為圓棒狀，尺寸φ80mm×200mm。所有合金試樣都未進(jìn)行熱處理。

用線切割方法在鑄造成形鈦合金試樣中部切取圓片狀金相試樣（尺寸φ20mm×10mm），經(jīng)過(guò)由粗到細(xì)的金相砂紙磨制后，先用氧化鐵預(yù)拋，再用三氧化二鉻精拋至鏡面，在金相腐蝕液中浸泡15s后立即用流動(dòng)水沖洗干凈并吹干后在FL8000型金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。金相腐蝕液的具體配比為氫氟酸13mL+硝酸26mL+無(wú)水乙醇156mL+去離子水5mL。

用線切割方法在鑄造成形鈦合金試樣中部切取圓柱形磨損試樣（尺寸φ30mm×15mm），在室溫條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，采用的測(cè)試儀器為MVF-1A多功能立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差為100N以下±2N、100N以上±0.5%，摩擦力荷重傳感器為100N，摩擦力臂距離為50mm，摩擦力設(shè)定為98N，轉(zhuǎn)速設(shè)定為300r/min，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為25min，對(duì)磨材料選用45鋼。

用切割方法在鑄造成形鈦合金試樣中切取3個(gè)圓棒型拉伸試樣。拉伸試樣具體尺寸如圖2所示。拉伸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，采用的試驗(yàn)設(shè)備為QX-W550微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，拉伸時(shí)速度設(shè)定為1mm/min。試驗(yàn)結(jié)束后用PhenomLE型掃描電鏡觀察試樣拉伸斷口形貌。

2、試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1顯微組織

采用常規(guī)澆注和超聲振動(dòng)輔助澆注兩種方法澆注制備的鑄造鈦合金TC4試樣顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出，鑄造鈦合金TC4試樣均為網(wǎng)籃狀α+β雙相組織，由類似等軸晶的α相（圖1中的灰白色組織）和沿α相邊界斷續(xù)分布的β相（圖1中的灰黑色組織）。但是，從圖3還可以看出，與常規(guī)澆注相比，超聲振動(dòng)輔助澆注制備而成的合金試樣顯微組織得到明顯細(xì)化，α相和β相都更為細(xì)小。超聲振動(dòng)輔助澆注改善了鑄造成形鈦合金的內(nèi)部組織。這主要是因?yàn)樵跐沧⑦^(guò)程中引入的超聲振動(dòng)，可以使熔融鈦合金產(chǎn)生空化、聲流效應(yīng)[17-20]，有助于鈦合金試樣在形核過(guò)程中增加異質(zhì)形核，同時(shí)有助于枝晶的破碎，從而使得超聲振動(dòng)輔助鑄造鈦合金試樣具有更加細(xì)小的顯微組織[15-16]。

2.2耐磨損性能

采用常規(guī)鑄造和超聲振動(dòng)輔助鑄造兩種方法制備的鑄造鈦合金TC4試樣的耐磨損性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，與常規(guī)鑄造相比，超聲振動(dòng)輔助鑄造可以使合金試樣在摩擦磨損過(guò)程中的磨損體積得到明顯減小，顯著改善合金試樣的耐磨損性能。當(dāng)磨損時(shí)間5min時(shí)，超聲振動(dòng)輔助鑄造試樣的磨損體積較常規(guī)鑄造試樣減小了55.3%；當(dāng)

磨損時(shí)間25min時(shí)，超聲振動(dòng)輔助鑄造試樣的磨損體積較常規(guī)鑄造試樣減小了73.4%。由此可以看出，超聲振動(dòng)輔助顯著減小了鑄造成形鈦合金試樣的磨損體積，提高了鑄造成形鈦合金試樣的耐磨損性能。這主要是在常規(guī)鑄造過(guò)程中，鈦合金試樣內(nèi)部組織較為粗化，且不可避免地產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，難以獲得理想的耐磨損性能；當(dāng)澆注過(guò)程中引入超聲振動(dòng)輔助鑄造，超聲振動(dòng)的空化和聲流等效應(yīng)一方面明顯細(xì)化了合金試樣顯微組織，另一方面有助于消除或顯著減少氣孔、夾雜等缺陷，從而顯著改善鑄造成形鈦合金試樣的耐磨損性能[16-20]。

2.3力學(xué)性能

采用常規(guī)鑄造和超聲振動(dòng)輔助鑄造兩種方法制備的鑄造鈦合金TC4試樣力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，與常規(guī)鑄造試樣相比，超聲振動(dòng)輔助鑄造合金試樣在保持?jǐn)嗪笊扉L(zhǎng)率基本不變的前提下，提高了合金試樣的強(qiáng)度，其中抗拉強(qiáng)度增大了65MPa，提高7.2%；屈服強(qiáng)度增大了68MPa，提高了8.1%。由此可以看出，超聲振動(dòng)輔助鑄造可以在保持?jǐn)嗪笊扉L(zhǎng)率基本不變的前提下，提高鑄造成形鈦合金的強(qiáng)度，從而提高鑄造成形鈦合金的力學(xué)性能。

圖5是分別采用常規(guī)鑄造和超聲振動(dòng)輔助鑄造兩種方法制備的鑄造鈦合金TC4試樣的拉伸斷口SEM（掃描電鏡）照片。從圖5可以看出，常規(guī)鑄造鈦合金試樣（圖5（a））的拉伸斷口呈現(xiàn)出較為明顯的韌性斷裂特征，但是斷口中韌窩較淺、較粗大；而超聲振動(dòng)輔助鑄造試樣（圖5（b））的拉伸斷口也呈明顯的韌性斷裂特征，而且斷口中韌窩更深、更細(xì)小，表現(xiàn)出更優(yōu)良的拉伸性能。這主要是常規(guī)鑄造的鈦合金內(nèi)部組織較為粗大，且不可避免存在的氣孔、夾雜等鑄造缺陷，勢(shì)必影響鑄造成形鈦合金的力學(xué)性能；當(dāng)澆注過(guò)程中引入超聲振動(dòng)，在空化和聲流等效應(yīng)作用下合金試樣內(nèi)部組織得到細(xì)化，且可有效消除或減少鑄造缺陷，從而明顯提高鑄造成形鈦合金試樣的力學(xué)性能[15，17-19]。

3、結(jié)論

（1）基于超聲振動(dòng)的空化和聲流等效應(yīng)，超聲振動(dòng)輔助鑄造可以明顯細(xì)化鑄造成形鈦合金的內(nèi)部顯微組織，提高合金的耐磨損性能和力學(xué)性能。

（2）在摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)磨損時(shí)間5min時(shí)，超聲振動(dòng)輔助鑄造成形鈦合金的磨損體積較常規(guī)鑄造試樣減小55.3%；當(dāng)磨損時(shí)間25min時(shí)，超聲振動(dòng)輔助鑄造試樣的磨損體積較常規(guī)鑄造試樣減小了73.4%。

（3）與常規(guī)鑄造試樣相比，超聲振動(dòng)輔助鑄造合金試樣在保持?jǐn)嗪笊扉L(zhǎng)率基本不變的前提下，提高了合金試樣的強(qiáng)度，其中抗拉強(qiáng)度增大了65MPa，提高7.2%；屈服強(qiáng)度增大了68MPa，提高了8.1%。

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