一种变频超声辅助陶瓷与钛合金复合制造技术

摘要

本发明涉及一种变频超声辅助陶瓷与钛合金复合铸造的技术方法，是一种针对陶瓷易碎问题，降低应力、避免开裂的方法。超声凝固技术可以使熔化的钛合金溶液能与陶瓷基体很好的结合，在浇注过程中，通过辅助变频超声，降低铸造过程钛合金凝固的偏析，增大细晶区，减少发达树枝晶的形成，用其来包覆陶瓷基体、可以提高陶瓷材料的抗裂性能。钛合金液采用非自耗真空熔炼炉制取，将钛合金棒料制成自耗电极，通过真空下电极间放电产生电弧热，将其快速加热到高温熔化而成。在合金液浇注冷却过程中，由于合金液的凝固收缩，在陶瓷基体表面施加了一个压应力，使其在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而得到集陶瓷和钛合金优点于一身的材料。

权利要求

1.一种变频超声辅助陶瓷与钛合金复合铸造技术的方法，其特征在于：所述方法步骤如下：第一步：将氧化铝陶瓷基体放置在铸模中；

第二步：制取TC4钛合金熔液，首先进行熔炼准备，按照需要设计合适的钛合金棒料，根据其熔点，利用非自耗真空熔炼炉制定熔炼工艺，检查熔炼炉系统的完好性，调节好熔炼炉内的气压、保护气体氛围，严格进行炉膛清理等必要的熔炼准备，然后通电熔炼；

第三步：启动超声振动系统进行浇铸，待TC4钛合金棒料熔炼完成后，迅速将熔炼好的合金液倒入铸模中，浇注到事先准备好的氧化铝陶瓷基体上，同时发射超声波声流进行凝固，使TC4钛合金紧密均匀的包覆在氧化铝陶瓷基体的表面，为了使其浇注更均匀，通过工具把陶瓷基体旋转浇注，从而得到包覆更加均匀的陶瓷；

第四步：等待浇注完成、冷却，TC4钛合金熔液冷却包覆在氧化铝陶瓷基体上，得到TC4钛合金包覆的氧化铝陶瓷。

说明书

一种变频超声辅助陶瓷与钛合金复合制造技术

技术领域

[0001] 本发明属于变频超声辅助陶瓷与钛合金复合铸造的技术方法，是一种针对陶瓷硬度高但塑性差，提高其复杂应力服役能力的方法。

背景技术

[0002] 陶瓷材料是人类生活和生产中不可缺少的一种材料，由于其具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、原料丰富、成本低廉等诸多优点而被人们一直所关注。无论是在航空航天、石油化工、造船、机械还是装饰行业，陶瓷产品的应用可以说是遍及国民经济各个领域，在人类社会的发展中发挥着重要作用。然而作为无机非金属的陶瓷材料，晶体结构大多都是离子晶体，这种化学键有很高的结合能和低的膨胀系数，因此陶瓷材料脆性大，易发生开裂失稳，严重影响服役能力，极大程度地限制了其在现代科技国防等领域的大规模应用。

[0003] 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属材料，具有优异的力学性能，广泛用于各个领域。主要包括：(1)强度高，钛合金具有很高的强度，其抗拉强度可达686MPa-1176MPa，而密度仅为钢的60％左右，所以比强度很高。(2)硬度较高，钛合金(退火态)的硬度HRC为32-38。(3)弹性模量低，钛合金(退火态)的弹性模量为1.076×10-1.178×
10MPa，约为钢和不锈钢的一半。(4)高温和低温性能优良，在高温状态下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金。因此世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。

[0004] 金属超声凝固技术是在金属凝固过程中或在凝固前通过对金属熔体施加高强度超声来控制金属凝固组织和性能的方法。该技术设备简单，操作方便无污染，更重要的是利用超声波振动处理金属熔体可以实现晶粒的细化、气体的去除、偏析的减小等作用。

[0005] 鉴于此，本发明提出一种变频超声辅助陶瓷与钛合金复合铸造方法，以陶瓷为基，利用超声凝固技术在其表面铸上钛合金，使二者很好的结合，集陶瓷和钛合金材料优点于一身，得到一种优良的复合材料。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种变频超声辅助陶瓷与钛合金复合铸造方法，韧化陶瓷、降低陶瓷材料的开裂倾向，提高陶瓷的综合使用性能。

[0007] 超声凝固技术可以使熔化的钛合金溶液能与陶瓷基体很好的结合，在浇注过程中，通过辅助变频超声，不但可以降低铸造过程钛合金凝固的偏析，增大细晶区，减少发达树枝晶的形成，而且用其来包覆陶瓷基体、可以提高陶瓷材料的抗裂性能。其中TC4钛合金液采用非自耗真空熔炼炉制取，将TC4钛合金棒料制成自耗电极，通过真空下电极间放电产生电弧热，将其快速加热到高温熔化状态。在合金液浇注冷却过程中，由于合金液的凝固收缩，在陶瓷基体表面施加了一个压应力，使其在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而得到集陶瓷和钛合金优点与一身的有优异的综合使用性能的复合材料。可以广泛应用于军用和民用领域。

[0008] 为达到上述技术目标，本发明采用以下技术方案来实现：

[0009] 第一步：将陶瓷基体放置在铸模中。

[0010] 第二步：制取钛合金熔液。首先进行熔炼准备，按照需要设计合适的钛合金棒料，根据其熔点，利用真空熔炼炉制定熔炼工艺。注意检查熔炼炉系统的完好性，调节好熔炼炉内的气压、保护气体氛围，严格进行炉膛清理等必要的熔炼准备，然后通电熔炼。

[0011] 第三步:启动超声振动系统进行浇铸。待钛合金棒料熔炼完成后，迅速将熔炼好的合金液倒入铸模中，浇注到事先准备好的陶瓷基体上，同时发射超声波声流进行凝固，使钛合金紧密均匀的包覆在陶瓷基体的表面。为了使其浇注更均匀，可以通过工具或适当设计把陶瓷基体旋转浇注，从而得到包覆更加均匀的陶瓷。

[0012] 第四步：等待浇注完成、冷却。钛合金熔液冷却包覆在陶瓷基体上，在冷却与陶瓷基体结合的过程中对陶瓷形成压应力，从而抑制开裂破碎，韧化陶瓷。

[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0014] 1.钛合金具有耐蚀性、密度低和高的比强度等性能，与陶瓷材料结合后可以使陶瓷的抗裂能力提高；钛合金液采用非自耗真空熔炼炉制备，熔炼出来的合金液化学成分均匀、致密度高。

[0015] 2.超声铸造在溶体凝固过程中起到细化晶粒和使组织分布更加均匀的作用，有效的改善液体的流动性，减少树枝晶的形成和成分比重偏析并削弱了交叉的树枝晶网，抑制晶粒的择优生长，为晶粒形核提供了更多的形核源。

[0016] 3.熔液冷却凝固包覆的钛合金对陶瓷产生的压应力会消除陶瓷工件因机械加工等形成的拉应力，使其在使用过程中不易产生裂纹扩展，从而能显著提高陶瓷的抗开裂能力，延长陶瓷零件使用寿命。

[0017] 4.本实施方法可以制备出组织致密性能良好的钛合金陶瓷复合材料，并且铸造过程可以在传统铸造机通过发射超声波即可实现，简单易行，易于推广应用。

具体实施方式

[0018] 以陶瓷材料选用氧化铝，钛合金选用TC4为例进行说明。具体实现步骤如下：

[0019] 第一步：将氧化铝陶瓷基体放置在铸模中等待合金液浇注。

[0020] 第二步:将TC4钛合金液倒入模具中进行浇铸。合金液的制备操作如下，首先进行熔炼准备。按照TC4钛合金的熔点确定好熔炼温度，制定熔炼工艺，清洁原料和容器，根据熔炼炉容量及需要熔炼的TC4合金量进行熔炼，检查熔炼炉系统的完好性，严格进行炉膛清理等必要的开炉准备。用机械泵预抽真空达到6×10-2Pa，预热扩散泵30min-1h后，缓开炉体阀，当真空度达<0.2Pa，打开全部炉体阀，再次拧紧炉门旋钮，用机械泵抽低真空达<6×10-2Pa，用扩散泵对炉内抽高真空达<5×10-3Pa后，对炉膛充入高纯氩气(纯度达99.99％)至一个大气压；重复上述抽真空操作两到三次，使炉内含氧量尽可能的低。向装料炉内充入
1atm的高纯氩气后开始熔炼。引弧电流为6070A，引弧后先在装有TC4的坩埚上熔炼1-2min，以除去炉膛内的氧气，防止熔炼过程中合金棒料被氧化。然后，将焊枪移到需要熔炼的坩埚上，对合金棒料进行熔炼，熔炼电流大概为200-300A，获得熔融状态钛合金液体。

[0021] 第三步:启动超声振动系统，将已获得的熔融钛合金液体迅速浇注到事先准备好的至于铸模中的氧化铝陶瓷基体上，同时发射超声波声流搅拌。超声波在很短时间内同时解决合金液和基体的湿润性和相容性问题，使钛合金紧密均匀的包覆在陶瓷基体的表面，所加超声波的功率为2kW，频率为20kHz。为了使其浇注更均匀，可通过工具把陶瓷基体旋转浇注，再发射超声波。

[0022] 第四步：待基体浇注完成后及时冷却至室温，TC4钛合金熔液冷却包覆在陶瓷基体上，获得钛合金包覆的氧化铝陶瓷，通过钛合金对陶瓷形成的压应力，抑制陶瓷开裂破碎，韧化陶瓷。