钛合金由于密度较小、耐腐蚀佳等原因备受航空、航天、建筑、交通等各行各业的青睐，也吸引了众多科研人员的研究兴趣。宗学文等[1]基于快速铸造方法进行了钛合金成形的数值模拟，并进行了钛合金组织性能分析。李义军等[2]进行了ZTA15钛合金熔模精密铸造过程中浇注用铁基引流工装的优化研究。张仕朝等[3]研究了铸造钛合金ZTC4不同应变比下的低周疲劳行为。范李鹏等[4]研究了钛合金精密铸造过程中的氧化钇型壳制备工艺。张帅锋等[5]探讨和分析了铸造钛合金α层对补焊裂纹的影响规律。史昆等[6]研究和分析了复杂曲面钛合金叶轮的消失模铸造工艺。宁二宾等[7]基于SLA技术研究了钛合金熔模精密铸造工艺。贺焱等[8]研究了纯钛离心泵的石墨型铸造工艺。张浩等[9]研究了熔模铸造钛合金直齿面齿轮快速成形工艺。在钛合金工业化应用中，越来越多的应用场合对铸造成形钛合金耐磨损性能提出了更高要求。但是，目前关于铸造钛合金耐磨损性能的研究还鲜有报道，难以对工业化生产提供有效支持。超声振动辅助是一种改善铸造成形合金组织和性能的有效途径。付浩等[10]研究了超声-机械振动复合处理细化AZ91D-3Ca镁合金的凝固组织。付波[11]分析了振动频率对超声辅助铸造铝基模具合金耐磨损性能的影响。赵龙志等[12]探讨和研究了振动频率对间接超声辅助铸造Al-24%Si合金的影响。冯丹艳[13]分析了超声振动对ZL101铝合金熔体凝固组织的影响。董雄博等[14]研究和分析了超声振动对活塞用近共晶铝硅合金硅相形貌及生长机制的影响。游专等[15]分析了挤压温度和超声振动频率对汽车控制臂性能的影响。李永康等[16]分析了超声振动挤压加工对汽车活塞杆性能的影响。但是，目前关于超声振动辅助在钛合金铸造成形中的应用还鲜有报道。为此，本文尝试采用超声振动辅助浇注的铸造成形方法制备钛合金TC4试样，并进行了合金试样的显微组织、力学性能和耐磨损性能分析，以优化铸造钛合金的组织与性能，为铸造成形钛合金性能改善提供新的途径。
1、试验材料及方法
以海绵钛、纯铝、Al-10V中间合金为原材料，在真空感应熔炼炉中，真空度（3.5±0.5）Pa；然后分别在紫铜模具中采用常规浇注和超声振动辅助浇注两种方法进行浇注，紫铜模具内径φ80mm、深度150mm，浇注温度1700℃。超声振动辅助浇注装置如图1所示，超声振动辅助浇注时的超声振动频率50Hz，超声处理功率1kW，超声振动辅助从浇注开始直至浇注完成时结束。铸造成形TC4钛合金试样化学成分如表1所示。试样为圆棒状，尺寸φ80mm×200mm。所有合金试样都未进行热处理。
用线切割方法在铸造成形钛合金试样中部切取圆片状金相试样（尺寸φ20mm×10mm），经过由粗到细的金相砂纸磨制后，先用氧化铁预抛，再用三氧化二铬精抛至镜面，在金相腐蚀液中浸泡15s后立即用流动水冲洗干净并吹干后在FL8000型金相显微镜上进行组织观察。金相腐蚀液的具体配比为氢氟酸13mL+硝酸26mL+无水乙醇156mL+去离子水5mL。
用线切割方法在铸造成形钛合金试样中部切取圆柱形磨损试样（尺寸φ30mm×15mm），在室温条件下进行摩擦磨损试验，采用的测试仪器为MVF-1A多功能立式摩擦磨损试验机，试验力示值相对误差为100N以下±2N、100N以上±0.5%，摩擦力荷重传感器为100N，摩擦力臂距离为50mm，摩擦力设定为98N，转速设定为300r/min，试验时间设定为25min，对磨材料选用45钢。
用切割方法在铸造成形钛合金试样中切取3个圆棒型拉伸试样。拉伸试样具体尺寸如图2所示。拉伸试验在室温下进行，采用的试验设备为QX-W550微机控制电子万能试验机，拉伸时速度设定为1mm/min。试验结束后用PhenomLE型扫描电镜观察试样拉伸断口形貌。
2、试验结果及讨论
2.1显微组织
采用常规浇注和超声振动辅助浇注两种方法浇注制备的铸造钛合金TC4试样显微组织如图3所示。从图3可以看出，铸造钛合金TC4试样均为网篮状α+β双相组织，由类似等轴晶的α相（图1中的灰白色组织）和沿α相边界断续分布的β相（图1中的灰黑色组织）。但是，从图3还可以看出，与常规浇注相比，超声振动辅助浇注制备而成的合金试样显微组织得到明显细化，α相和β相都更为细小。超声振动辅助浇注改善了铸造成形钛合金的内部组织。这主要是因为在浇注过程中引入的超声振动，可以使熔融钛合金产生空化、声流效应[17-20]，有助于钛合金试样在形核过程中增加异质形核，同时有助于枝晶的破碎，从而使得超声振动辅助铸造钛合金试样具有更加细小的显微组织[15-16]。
2.2耐磨损性能
采用常规铸造和超声振动辅助铸造两种方法制备的铸造钛合金TC4试样的耐磨损性能测试结果如图4所示。从图4可以看出，与常规铸造相比，超声振动辅助铸造可以使合金试样在摩擦磨损过程中的磨损体积得到明显减小，显著改善合金试样的耐磨损性能。当磨损时间5min时，超声振动辅助铸造试样的磨损体积较常规铸造试样减小了55.3%；当
磨损时间25min时，超声振动辅助铸造试样的磨损体积较常规铸造试样减小了73.4%。由此可以看出，超声振动辅助显著减小了铸造成形钛合金试样的磨损体积，提高了铸造成形钛合金试样的耐磨损性能。这主要是在常规铸造过程中，钛合金试样内部组织较为粗化，且不可避免地产生气孔、夹杂等缺陷，难以获得理想的耐磨损性能；当浇注过程中引入超声振动辅助铸造，超声振动的空化和声流等效应一方面明显细化了合金试样显微组织，另一方面有助于消除或显著减少气孔、夹杂等缺陷，从而显著改善铸造成形钛合金试样的耐磨损性能[16-20]。
2.3力学性能
采用常规铸造和超声振动辅助铸造两种方法制备的铸造钛合金TC4试样力学性能测试结果如表2所示。从表2可以看出，与常规铸造试样相比，超声振动辅助铸造合金试样在保持断后伸长率基本不变的前提下，提高了合金试样的强度，其中抗拉强度增大了65MPa，提高7.2%；屈服强度增大了68MPa，提高了8.1%。由此可以看出，超声振动辅助铸造可以在保持断后伸长率基本不变的前提下，提高铸造成形钛合金的强度，从而提高铸造成形钛合金的力学性能。
图5是分别采用常规铸造和超声振动辅助铸造两种方法制备的铸造钛合金TC4试样的拉伸断口SEM（扫描电镜）照片。从图5可以看出，常规铸造钛合金试样（图5（a））的拉伸断口呈现出较为明显的韧性断裂特征，但是断口中韧窝较浅、较粗大；而超声振动辅助铸造试样（图5（b））的拉伸断口也呈明显的韧性断裂特征，而且断口中韧窝更深、更细小，表现出更优良的拉伸性能。这主要是常规铸造的钛合金内部组织较为粗大，且不可避免存在的气孔、夹杂等铸造缺陷，势必影响铸造成形钛合金的力学性能；当浇注过程中引入超声振动，在空化和声流等效应作用下合金试样内部组织得到细化，且可有效消除或减少铸造缺陷，从而明显提高铸造成形钛合金试样的力学性能[15，17-19]。
3、结论
（1）基于超声振动的空化和声流等效应，超声振动辅助铸造可以明显细化铸造成形钛合金的内部显微组织，提高合金的耐磨损性能和力学性能。
（2）在摩擦磨损试验过程中，当磨损时间5min时，超声振动辅助铸造成形钛合金的磨损体积较常规铸造试样减小55.3%；当磨损时间25min时，超声振动辅助铸造试样的磨损体积较常规铸造试样减小了73.4%。
（3）与常规铸造试样相比，超声振动辅助铸造合金试样在保持断后伸长率基本不变的前提下，提高了合金试样的强度，其中抗拉强度增大了65MPa，提高7.2%；屈服强度增大了68MPa，提高了8.1%。
参考文献：
[1]宗学文，张健，杨学东．基于快速铸造的钛合金数值模拟及组织性能[J]．特种铸造及有色合金，2020，40(9)：1007-1012．
[2]李义军，赵云霞．ZTA15钛合金熔模精密铸造浇注用铁基引流工装的优化[J]．铸造，2020，69(10)：1087-1092．
[3]张仕朝，李旭东．铸造钛合金ZTC4不同应变比下的低周疲劳行为[J]．材料热处理学报，2020，41(2)：142-146．
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[5]张帅锋，张建欣，于冰冰，等．铸造钛合金α层对补焊裂纹的影响[J]．热加工工艺，2020，49(3)：67-70．
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[10]付浩，周全，脱宏超，等．超声-机械振动复合处理细化AZ91D-3Ca镁合金的凝固组织[J]．特种铸造及有色合金，2013，33(11)：1066-1070．
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