TC6钛合金铸造用防吸气涂料配方

在高温合金铸造过程中，钛合金因其高活性、易与氧、氮、氢等气体发生反应，对铸造环境极为敏感。特别是在熔炼与充型阶段，钛液极易从空气中吸收气体，导致铸件内部产生气孔、夹杂及表面氧化等缺陷，严重影响材料的力学性能和疲劳寿命。为有效解决这一问题，开发一种高效、稳定的防吸气涂料成为提升钛合金铸件质量的关键环节之一。TC6钛合金作为一种典型的α+β型高温钛合金，广泛应用于航空发动机压气机叶片、盘件等关键承力结构，其铸造过程对防吸气保护的要求尤为严苛。

防吸气涂料的核心功能在于形成一道致密的物理与化学屏障，隔绝熔融钛液与周围气氛的直接接触。理想的涂料应具备良好的涂覆性、高温稳定性、低挥发性、与铸型材料良好的结合力，以及在高温下不产生有害气体或残留物。针对TC6钛合金的铸造特性，涂料配方设计需综合考虑其熔点（约1650℃）、高温活性及热膨胀系数。经过大量实验验证与成分优化，一种基于稀土氧化物与惰性陶瓷基体的复合涂料配方被证实具有优异的防吸气性能。

该涂料的基础成分为氧化钇（Y₂O₃），其熔点高达2410℃，化学性质极为稳定，对钛液呈惰性，且在高温下不发生分解或挥发。Y₂O₃不仅能够有效阻挡氧、氮等气体向钛液扩散，还能与钛液界面形成一层致密的反应层，进一步抑制气体渗透。然而，纯Y₂O₃涂层的脆性较大，易在干燥或预热过程中产生裂纹，影响密封效果。因此，需引入适量的氧化锆（ZrO₂）作为增韧相。ZrO₂具有优异的抗热震性和高温强度，其四方相-单斜相相变可吸收裂纹扩展能量，显著提升涂层的抗裂性能。实验表明，当Y₂O₃与ZrO₂的质量比控制在7:3时，涂层兼具良好的致密性与韧性，裂纹发生率降低至5%以下。

为进一步提升涂层的附着力和施工性能，需引入有机-无机复合粘结体系。采用硅溶胶（SiO₂溶胶）作为主要无机粘结剂，其在干燥过程中形成三维网络结构，增强涂层与陶瓷型壳的结合强度。同时，添加少量聚乙烯醇（PVA）作为有机增稠剂，可改善涂料的流变性，防止沉降和分层，提高喷涂均匀性。硅溶胶与PVA的配比控制在4:1时，涂料表现出良好的触变性和干燥后不开裂的特性。此外，为调节涂料的干燥速率和防止高温下产生气泡，需加入0.5%~1.0%的消泡剂（如聚醚改性硅油）和0.3%的润湿分散剂（如聚丙烯酸钠），确保涂料在复杂型腔中均匀铺展。

涂料的粒度分布对最终性能影响显著。采用粒径为5~15μm的Y₂O₃和ZrO₂微粉，经球磨混合后形成均匀悬浮体系。过细的粉末易团聚，过粗则影响涂层致密性。通过激光粒度仪控制中位粒径D50在8~10μm，可兼顾涂层的致密性与施工性。涂料的固含量控制在60%~65%，粘度维持在30~40 s（涂-4杯），适合空气喷涂或浸涂工艺。

在实际铸造应用中，该涂料需在陶瓷型壳表面均匀涂覆2~3层，每层厚度控制在0.15~0.25 mm，自然干燥后，在200℃下烘干2小时以去除有机组分。随后型壳经900℃预烧，使硅溶胶完全转化为SiO₂玻璃相，增强涂层结构稳定性。在钛合金浇注过程中，涂层在1650℃以上仍保持完整，未见明显剥落或起泡。金相分析显示，铸件表面氧化层厚度由未使用涂料时的20~30μm降至5μm以下，内部气孔率降低至0.1%以下，显著提升了铸件致密度。

此外，该涂料在多次使用后仍保持良好性能，无有害气体释放，符合绿色铸造要求。其原料来源广泛，成本可控，适用于TC6及其他高温钛合金的精密铸造。通过进一步优化粘结体系与纳米改性技术，未来有望实现涂层自愈合功能，进一步提升钛合金铸造的可靠性与一致性。

该防吸气涂料的成功开发，不仅为TC6钛合金的高质量铸造提供了技术支撑，也为其他活性金属的防吸气保护提供了可借鉴的配方设计思路，具有重要的工程应用价值与推广前景。