鈦及鈦合金具有良好的綜合性能，在航空航天、海洋船舶和汽車等高端制造領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。因其優(yōu)異的比強度、耐腐蝕性和高溫性能等特點，在金屬材料王國中被稱為 “全能金屬”，是繼鐵、鋁之后極具發(fā)展前景的 “第三金屬”“戰(zhàn)略金屬”[1]。然而，由于鈦合金具有熔點高、反應(yīng)活性強等特性，其熔煉工藝、鑄型材料、鑄造工藝等與傳統(tǒng)金屬的鑄造有很大差異。因此，鈦合金鑄造技術(shù)的研究在提升鑄件質(zhì)量等方面具有重大意義。
近年來，隨著鈦合金鑄造技術(shù)的持續(xù)進步，熔模精密鑄造、石墨型鑄造、砂型鑄造及快速近凈成型、反重力可控充型等工藝得到不斷改進與發(fā)展，顯著促進了鈦合金鑄造領(lǐng)域的研究進展 [2]。其中，熔模鑄造作為材料近凈成形技術(shù)，對制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)、尺寸高精度的鑄件意義重大。該技術(shù)特別適用于高化學活性、高熔煉溫度的金屬材料，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用 [3-4]。而鈦合金石墨型鑄造，憑借鑄型設(shè)計與制備靈活、生產(chǎn)周期短等特性，適合大尺寸鈦合金鑄件的生產(chǎn)，且能確保鑄件具備優(yōu)良的表面質(zhì)量 [5]。砂型鑄造是在工業(yè)生產(chǎn)當中最常用的鑄造方式，造型材料廉價，鑄型制造簡便，適合于制備大型厚壁鑄件 [6]。快速鑄造技術(shù)是將快速成型與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)有效結(jié)合，且不需要制作模具，具有快速高效的特點，極大地提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本 [7]。但由于鈦合金的特性，對型砂材料的選用和砂型的制備均有特殊要求，因此將砂型鑄造、快速鑄造技術(shù)應(yīng)用于鈦合金鑄件的生產(chǎn)也極具挑戰(zhàn)。反重力鑄造是先進的熱加工工藝之一，其生產(chǎn)的鑄件具有尺寸精確、成品率高、力學性能好和內(nèi)部質(zhì)量高的特點，且反重力鑄造生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機械化和自動化 [8]。由于鈦合金需要真空熔煉，且熔煉設(shè)備有特殊要求，所以鈦合金反重力鑄造對設(shè)備的要求也極為嚴苛。綜上所述，各種鑄造方法具有各自的優(yōu)點和適用范圍，選擇合適的鑄造工藝對于提升鈦合金鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。
經(jīng)過多年的發(fā)展，鈦合金鑄造模擬仿真技術(shù)已在鑄件產(chǎn)品和工藝研究中得到廣泛應(yīng)用，為鑄造企業(yè)的技術(shù)升級和創(chuàng)新注入了新的活力。鑄造模擬可以高效設(shè)計和優(yōu)化鑄造工藝，直觀呈現(xiàn)鑄造過程及預(yù)測缺陷形成，在很大程度上減少了傳統(tǒng)工藝方案制定中的不確定性，為鑄造工藝的設(shè)計提供了重要支持。熱等靜壓與熱處理也是提升鈦合金組織結(jié)構(gòu)及性能至關(guān)重要的技術(shù)手段。熱等靜壓能夠顯著增強鈦合金的致密性，優(yōu)化其微觀結(jié)構(gòu)；而熱處理則通過不同的工藝方法，精確調(diào)控鈦合金的微觀組織和性能。這兩種技術(shù)的協(xié)同作用能夠進一步提升鈦合金的綜合性能，使其在航空航天和生物醫(yī)學等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。
本文綜述了鈦合金鑄造近年來的主要研究進展，重點介紹了不同鑄造工藝的優(yōu)勢和局限，探討了鈦合金鑄造的研究前沿與面臨的挑戰(zhàn)，并對未來研究方向進行了展望。
1、鑄造鈦合金分類及應(yīng)用
目前國內(nèi)外應(yīng)用的鑄造鈦和鈦合金均是沿用變形鈦和鈦合金的成分。鑄造鈦合金按相的組成可分為 α 鈦合金、近 α 鈦合金、α+β 鈦合金和 β 鈦合金。按合金強度與應(yīng)用情況可分為中溫中強合金、高強合金、高溫合金、低溫合金、耐腐蝕合金及特殊用途合金等 [9]。
α 鈦合金包括工業(yè)純鈦和 β 穩(wěn)定元素含量小于 0.07%（質(zhì)量分數(shù)）的合金，是一種密排六方晶格結(jié)構(gòu)的合金，牌號用 TA 表示。通過添加少量鋁、硼等 α 穩(wěn)定元素來增強強度和高溫性能，具有密度小、蠕變抗力較強及較高的抗氧化性等特點，其室溫強度低于 β 鈦合金和 α+β 鈦合金但具有優(yōu)異的高溫強度（500~600℃）。近 α 型鈦合金為在 α 相的基礎(chǔ)上加入少量 β 穩(wěn)定元素，增強了高溫強度和塑性，同時改善了熱加工性能，具備優(yōu)異的抗氧化性和較低的蠕變速率，是高溫動態(tài)部件的重要選擇。近 α 型鈦合金可分為兩類：①含低鋁及少量 β 穩(wěn)定元素的鈦合金，如 TA18（Ti-3Al-2.5V）；②含高 Al 及少量 β 穩(wěn)定元素的鈦合金，如 TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）等，主要合金化元素是 Al，其次是中性元素錫（Sn）和鋯（Zr），同時含有鉬（Mo）當量不超過 2.5% 的 β 穩(wěn)定元素。
隨著飛行器對耐高溫性能需求的不斷提升，生產(chǎn)能夠耐受 550℃以上溫度的大型復(fù)雜鑄件的高溫鈦合金變得至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系耐高溫鈦合金，如英國的 IMI 829 和 IMI 834、俄羅斯的 BT25 和 BT36、美國的 Ti-6242S 和 Ti1100，以及中國的 Ti55、Ti60 和 Ti65 等 [10-12]。而 ZTA5 鈦合金作為中等強度 α 型鑄造鈦合金，具有良好的焊接性能及耐蝕性能，是海洋環(huán)境下理想的結(jié)構(gòu)材料，被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的各類機械部件中 [13]。
α+β 鈦合金又稱兩相鈦合金，牌號用 TC 表示。鋁當量一般控制在 8% 以下，為獲得足夠數(shù)量的 β 相，從而改善鈦合金的壓力加工性和熱處理強化性，β 穩(wěn)定元素的添加量為 2%~10%（質(zhì)量分數(shù)）。大量密排六方晶格的 α 相是其良好高溫特性、低溫特性和可焊性的保證，而一定量的 β 相則是合金具有良好工藝塑性和可熱處理性的保證。兩相鈦合金在強度和塑性方面優(yōu)于近 α 鈦合金，而耐熱性一般不如全 α 型鈦合金，時效強化效果大多只能保持到 450℃，通常在中溫范圍內(nèi)使用。其中 ZTC4（Ti-6Al-4V）是應(yīng)用最為廣泛也是最早生產(chǎn)的鈦合金之一，具有優(yōu)異的綜合性能和加工性能，能進行固溶時效強化，在航空工業(yè)中用于機匣、發(fā)動機壓氣機盤及葉片等的鑄造或其他工藝 [9]。
β 型鈦合金組織以體心立方晶格結(jié)構(gòu)的 β 相為主。按穩(wěn)定狀態(tài)組織類型分類，β 鈦合金可分為亞穩(wěn)型 β 鈦合金和穩(wěn)定型 β 鈦合金。β 型鈦合金從 20 世紀 50 年代開始發(fā)展，具有較高的強度 / 質(zhì)量比，且大橫截面的鈦合金零件具有非常優(yōu)異的強度、韌性和抗疲勞強度，擁有良好的冷熱成形性，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
高強度結(jié)構(gòu)鈦合金一般是指抗拉強度在 1000 MPa 以上的鈦合金 [14]。高強度鈦合金主要有穩(wěn)定型鈦合金、亞穩(wěn)型鈦合金和近 β 型鈦合金。其中 Ti-15-3、Ti-10-2-3、Ti6-22-22S、Beta-C、β-21S、BT-35 等已成為主要的高強度鑄造鈦合金，在鑄件方面具有應(yīng)用價值 [15]。高強度鈦合金鑄件在航空航天及軍事領(lǐng)域上的應(yīng)用，主要是利用其優(yōu)異的綜合力學性能。輕質(zhì)高強度鈦合金在武器及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也使武器趨于輕型化，如 F-22 阻攔鉤的整流罩（Ti-6242），B-1B 轟炸機上的多個 Ti-15V-3Al-3Sn 合金鑄件 [16] 等，及波音 777 的輔助動力設(shè)備充氣導(dǎo)管（Ti-15-3）[17]。另外，高強度鈦合金鑄件在民用和醫(yī)用方面也得到了廣泛應(yīng)用，如精鑄高爾夫球頭（Ti-15-3）[18]、人工關(guān)節(jié) [19] 等。
2、鈦合金鑄造方法
由于鈦的高化學活性，其在熔融狀態(tài)下與空氣中的氫、氧、氮發(fā)生劇烈化學反應(yīng)，且與常用的耐火材料均可發(fā)生化學反應(yīng)。因此，相較于傳統(tǒng)合金鑄造工藝，可用于鈦合金鑄造的工藝較為有限。目前，最常用的鑄造工藝有熔模鑄造和石墨型鑄造。與此同時，部分公司或研究單位也開展了鈦合金砂型鑄造、金屬型鑄造等研究和生產(chǎn)。
2.1 熔模鑄造
熔模鑄造又稱失蠟鑄造，是一種采用可熔性一次模料制得型殼的澆注鑄件方法。采用該工藝大大減少了鈦合金鑄件的機械加工，降低了成本，可鑄造出形狀復(fù)雜、尺寸精細和表面粗糙度低的鑄件。熔模精密鑄造尺寸精度可達 CT4~6 級，表面粗糙度通常在 Ra3.2~6.3 之間；由于生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高，減少了后續(xù)加工需求，從而提高了金屬材料的利用率。鈦合金熔模鑄造工藝主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域復(fù)雜薄壁鑄件的制備。目前，航空航天工業(yè)中用的鈦合金鑄件 98% 以上都是熔模精密鑄造的 [20]。
鈦合金熔模精密鑄造工藝，即在蠟?zāi)＝M表面上涂覆由耐火粉與有機或無機黏結(jié)劑組成的漿料，然后撒一層耐火材料，重復(fù)多次直至形成一定厚度的型殼，然后經(jīng)過型殼的干燥、脫蠟、焙燒后澆注鈦合金，并對脫殼后的鈦鑄件進行一定的清理、檢驗以及必要的熱處理 [21]。
由于熔融狀態(tài)下的鈦具有極高的化學活性，幾乎可以與所有常用的耐火材料發(fā)生反應(yīng)，從而污染鑄件表面形成氧化層。因此，鈦合金熔模精密鑄造用型殼面層材料的選擇成為提升鈦合金鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵。其中，氧化物陶瓷材料是目前國內(nèi)外普遍選用的面層用耐火材料。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，常用的氧化物面層材料主要有 Al?O?、CaO、ZrO?、Y?O?和 ThO?，其與熔融鈦合金反應(yīng)的能力依次減弱 [22-23]。ThO?耐火度高，強度好，對液鈦穩(wěn)定性好，但由于它具有放射性，目前已基本被淘汰。目前主要采用 Y?O?、ZrO?、CaO 等作為面層型殼材料 [24]。Richerson 等 [25] 通過在 Y?O?中混入少量稀土氧化物成功制備了陶瓷坩鍋和鑄型。LaSalle 等 [26] 采用 CaCO?碳酸鈣預(yù)制涂料漿制備 CaO 面層涂料，并制備型殼成功澆注了渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子。
隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展，對裝備的載荷、強度、剛性等要求越來越高，鈦合金鑄件向功能化、整體化、輕量化、大型化和近凈成形方向發(fā)展。大型復(fù)雜薄壁鈦合金精密鑄造技術(shù)是當今世界軍用與民用航空領(lǐng)域的尖端技術(shù) [27]。
南海等 [28] 結(jié)合熱等靜壓和熔模精密鑄造成型技術(shù)，成功研制出一種 ZTC4 鈦合金精鑄件，攻克了大型復(fù)雜薄壁類鑄件研制的一些關(guān)鍵技術(shù)難題。該項研究填補了國內(nèi)航空研究在這一領(lǐng)域的空白，使大型復(fù)雜薄壁類鑄件的單件鑄造水平接近國外先進水平。郄喜望等 [29] 以工程應(yīng)用的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu) ZTC4 鈦合金鑄件（圖 1a）為研究對象，采用熔模鑄造制備了大型復(fù)雜 ZTC4 鈦合金中介機匣，并開展了鑄件組織與性能均勻性的評估。該鑄件尺寸為 Φ1200 mm×280 mm，最小壁厚為 3~5 mm，質(zhì)量為 140 kg。研究結(jié)果表明，隨鑄件壁厚尺寸的增大，β 晶粒尺寸和 α 片層間距成近線性增加的趨勢；鑄件壁厚尺寸增加，宏觀硬度和顯微硬度呈近線性下降的趨勢。
大型復(fù)雜鈦合金鑄件的變形和尺寸精度控制也引起了研究者的重視。冉興等 [30] 結(jié)合大型復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)鑄件離心鑄造生產(chǎn)（圖 1b），對質(zhì)量影響因素進行全面分析，獲得制模、制殼、熔鑄等關(guān)鍵工藝過程對鑄件質(zhì)量的影響規(guī)律。通過合理的制模參數(shù)、蠟?zāi)７雷冃未胧┖吐輻U外貼式緊固矯形工藝，確保了某大型鈦合金異形結(jié)構(gòu)鑄件的尺寸精度；并且采用鑄件真空蠕變熱矯形工藝對鑄件尺寸進行控制，鑄件經(jīng)劃線檢查和三坐標擬合檢查后，曲面的尺寸偏差能控制在 1.5 mm 左右。因此，合理的制模參數(shù)及蠟?zāi)７雷冃未胧约安捎脽岢C形對鑄件尺寸進行控制，是控制大型復(fù)雜鈦合金鑄件精密鑄造尺寸精度和應(yīng)對其尺寸變形的重要方法。
劉云超等 [31] 為控制蠟?zāi)５某叽缇龋O(shè)計并制造了防變形工裝和檢測工裝。在蠟?zāi)Ｖ苽溥^程中，嚴格控制環(huán)境溫度并規(guī)范操作，確保在蠟?zāi)Ｐ拚徒M裝過程中不發(fā)生變形。修整后的蠟?zāi)Ｍㄟ^激光三維掃描檢測，尺寸精度達為 ±0.3 mm，如圖 2。
由于鈦合金高溫下化學活性極強，易與模殼材料或型芯材料反應(yīng)生成氧化層。隨鑄件局部位置冷卻速度的差異，氧化層厚度也存在較大差異。因此，高惰性耐火材料和耐火黏結(jié)劑的開發(fā)，以及型殼的制備工藝，仍有繼續(xù)提升的空間。另外，針對熔模鑄造鑄件復(fù)雜和高精度的特點，對無損檢測手段也提出了更高的要求；而在線監(jiān)測模式也可以盡早發(fā)現(xiàn)鑄件缺陷，減少不必要的浪費。
2.2 石墨型鑄造
與熔模鑄造、砂型鑄造相比，石墨型鑄造使用的石墨鑄型，具有高溫穩(wěn)定性好、抗變形能力強、分型方式多樣、鑄型型腔尺寸精度高、制作周期短等優(yōu)點，因此石墨型鑄造工藝在鈦合金鑄造生產(chǎn)中被廣泛采用，尤其適用于大尺寸鈦合金鑄件的生產(chǎn) [32-33]。因為石墨型可以采用拼接的方法制備鑄型和型芯，突破了大尺寸鑄件采用熔模鑄造工藝時對涂掛、脫蠟、焙燒設(shè)備的要求。由于石墨材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量，加快了鑄件的冷卻速度，促進晶粒組織的細化，使鈦合金鑄件的力學性能得到有效提高。但同時也導(dǎo)致采用石墨鑄型澆注制備形狀復(fù)雜的薄壁鈦合金鑄件時，鈦液凝固過快，排氣、充型困難，鑄件內(nèi)部容易出現(xiàn)縮孔、縮松等鑄造缺陷，甚至出現(xiàn)充型不完整現(xiàn)象。
范世璽等 [34] 通過石墨型鑄造工藝制備了 Ti321 合金軸箱鑄件，輪廓尺寸為 900 mm×350 mm×450 mm，該鑄件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但總體質(zhì)量較輕，約為 69 kg。張洋等 [35] 選用石墨陶瓷復(fù)合鑄型生產(chǎn)的鈦合金鑄件尺寸精度高，流道等非加工部位與理論模型偏差在 ±0.2 mm，有效減少流道的表面冷隔、流痕、裂紋等缺陷，提高了鑄件在非加工區(qū)域的質(zhì)量。胡光等 [36] 采用機加工石墨型鑄造工藝，鑄造了某船舶用薄壁 TA5 鈦合金結(jié)構(gòu)件，鑄件的化學成分、力學性能及尺寸精度均滿足使用要求。中國航發(fā)北京航空材料研究院 [37] 基于人造石墨材料的優(yōu)異性能結(jié)合石墨表面涂層技術(shù)，制備了一種適用于鈦合金鑄造用的石墨基型芯。該型芯原材料來源廣，成本低，制作工藝簡單，無需要模具制備，生產(chǎn)周期短，型芯成品率高，尺寸精度高。付景宇等 [38] 采用機加工石墨型鑄造工藝研制了方形框架結(jié)構(gòu) ZTA5 鈦合金底座鑄件，尺寸為 550 mm×550 mm×650 mm，平均壁厚 5 mm（圖 3）。通過 ProCAST 軟件進行鑄造過程數(shù)值模擬，改進了鑄造工藝設(shè)計方案，實現(xiàn)了 ZTA5 鈦合金薄壁復(fù)雜框形底座鑄件的完整成形。為保障鑄件的完整成形，在石墨鑄型頂部設(shè)計較多的排氣孔，保證澆注過程中產(chǎn)生的氣體能及時排出；并且石墨鑄型組裝前安排真空除氣，以去除石墨中殘留的氣體雜質(zhì)，澆注時控制真空自耗凝殼爐的真空度保持在 3 Pa 以下。
范李鵬等 [39] 針對大型復(fù)雜圓臺型鈦合金鑄件結(jié)構(gòu)特點（高度為 756 mm，最大直徑為 440 mm，最小直徑為 296 mm，內(nèi)部壁厚為 1.5~2 mm 的變壁厚結(jié)構(gòu)），設(shè)計了 2 種鑄造工藝，并結(jié)合模擬仿真對鑄造工藝進行優(yōu)化，最終選擇充型更為平穩(wěn)的直立底注式工藝，并采用石墨型鑄造工藝進行了生產(chǎn)驗證，制備了品質(zhì)滿足要求的鑄件，見圖 4。
石墨型鑄造具有很大的靈活性，是不可或缺的鈦合金鑄造工藝。但石墨型和石墨芯的潰散性較差，難以清除，尤其是對于封閉型腔結(jié)構(gòu)的鑄件。且對于復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，需要對石墨芯進行分塊加工和裝配，不具備成本優(yōu)勢，尺寸精度也較難保證。因此，用 3D 打印砂芯替代石墨型鑄造中的型芯，具有很好的應(yīng)用前景，同時也面臨一定的挑戰(zhàn)。
2.3 砂型鑄造
鈦合金砂型鑄造以水玻璃砂、鋯英砂、鎂橄欖石砂、鋁礬土等為鑄型材料，結(jié)合硅溶膠、鋯溶膠等黏結(jié)劑，同時在耐火材料中添加不同的輔助材料，以提高砂型質(zhì)量，使鈦合金砂型鑄造快速發(fā)展 [40]。鋯砂熔點高，具備良好的流動性和相對較高的電導(dǎo)率，是常用的鈦合金砂型鑄造耐火材料之一，通常采用優(yōu)質(zhì)鋯砂配合優(yōu)異性能的無機黏結(jié)劑作為造型材料來發(fā)展鈦合金砂型鑄造，極大地促進了砂型鑄造在鈦合金鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用和推廣。國外研究發(fā)現(xiàn) [41-43]，以水玻璃作為黏結(jié)劑的鋯砂砂型，具有較高的高溫強度與良好的潰散性，不僅能夠承受高溫熔融鈦的沖擊作用，而且鈦液與砂型間界面反應(yīng)較弱，得到的鑄件表面界面反應(yīng)層較薄，是一種比較好的鈦合金砂型鑄造方法。研究還發(fā)現(xiàn)，增加鋯砂中二氧化鋯的含量，能大幅減低鈦鑄件表面的污染。Mcdeavitt 等 [44] 選用鋯砂和橄欖石砂作為耐火材料，以膨潤土為黏結(jié)劑，采用搗實特種砂型工藝，成功制備出砂型并澆注得到表面質(zhì)量良好無明顯缺陷的鈦合金鑄件。
肖強偉等 [45] 選用耐火度較高的鋁礬土混合物為造型材料，采用硅溶膠黏結(jié)劑制備砂型和砂芯，并對型腔表面涂覆氧化釔涂料，制備了大型鈦合金泵體（圖 5）。其鑄件輪廓尺寸為 1200 mm×660 mm×390 mm，最小壁厚為 8 mm，質(zhì)量為 115 kg。研制出的鑄件，內(nèi)部和表面質(zhì)量良好，尺寸精度滿足使用要求，表面粗糙度可達到 6.3 μm。王濤亮等 [46] 以莫來石為主要造型材料、用惰性材料制造面層制備復(fù)合砂型，澆注得到合格的鈦合金殼體鑄件。經(jīng)成本核實和對比分析，采用砂型鑄造工藝，能夠顯著降低鈦合金的鑄造成本，縮短生產(chǎn)周期。與機加石墨型相比，砂型鑄造的生產(chǎn)成本降低了近 1/2。溧陽市新力機械鑄造有限公司 [47] 以硅酸鋯為原料，利用其化學性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫，在其表面滲透噴涂一層氧化釔，彌補了傳統(tǒng)熔融鈦因具有很高的化學活性，鑄造成形時極易與鋯鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)的缺陷，具有較佳的機械性能。北京百慕航材高科技有限公司 [48] 采用不同顆粒度的鋁礬土粉料作為砂芯的基體材料，有利于大型薄壁砂芯原坯的成型，大型薄壁砂芯在烘烤和焙燒過程中均填埋于耐火粉料中，并設(shè)計合理的焙燒工藝參數(shù)，有效預(yù)防了砂芯的變形開裂的不良情況。
鈦合金砂型鑄造制備的鑄件一般較為厚大，容易產(chǎn)生縮孔、縮松類缺陷。王德季等 [49] 結(jié)合鑄造模擬和實驗驗證，研究了不同厚度的鈦合金桿型鑄件的凝固過程和缺陷分布，分析了壁厚對冒口的補縮距離的影響規(guī)律（圖 6）。結(jié)果表明，鈦合金砂型鑄件的冒口與鑄件模數(shù)比例設(shè)計需要大于 1.1。
2.4 砂型快速鑄造
快速鑄造技術(shù)近年來在鑄造領(lǐng)域中取得了顯著發(fā)展，與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，特別是在小批量生產(chǎn)和復(fù)雜形狀鑄件的制造中，快速鑄造技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)鑄造，3D 打印砂型鑄造工藝具有制造周期短、研發(fā)成本低、精度高、設(shè)計自由度大等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。3D 打印砂型應(yīng)用于鈦合金鑄造存在以下技術(shù)瓶頸。首先，鈦合金熔點高且具有很高的化學活性，鑄造成形時極易與常用鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)，導(dǎo)致鑄件表面形成較厚的氧化層。其次，為減少界面反應(yīng)，鈦合金砂型鑄造需在型腔和砂芯表面涂覆高惰性涂料，并通過高溫燒結(jié)使涂料陶瓷化，3D 打印砂型大多采用有機黏結(jié)劑，遇高溫分解，無法適用于高熔點的鈦合金鑄造，且具有很大的發(fā)氣量，容易造成鑄件缺陷。另外，3D 打印砂型（芯）在高溫燒結(jié)處理過程中出現(xiàn)固相燒結(jié)和固相相變，鑄型尺寸變化復(fù)雜，鑄件尺寸精度難以控制。因此，將 3D 打印砂型技術(shù)應(yīng)用于鈦合金鑄造極具挑戰(zhàn)性。
Ravi 等 [50] 選用硅砂為耐火材料，呋喃樹脂為黏結(jié)劑，通過 3DP 技術(shù)制備硅砂模具，并涂覆涂層，得到了質(zhì)量合格的鈦鑄件。維捷（蘇州）三維打印有限公司 [51] 申請了該方面的專利，通過 3DP 技術(shù)制備砂型，真空浸滲該砂型形成結(jié)合層，在型腔結(jié)合層涂覆惰性材料涂料，形成過渡層和面層，焙燒之后，將燒結(jié)的砂型放在真空澆注機中，澆入鈦液制備鈦合金鑄件。選區(qū)激光燒結(jié)（selective laser sintering, SLS）技術(shù)可直接成形任意復(fù)雜形狀的砂型（芯），而且制備周期短、靈活性高，可減少大型復(fù)雜鑄件的試制周期 [52]。梁小文等 [53] 以鋯砂為原砂材料，氧化釔、酚醛樹脂為填充材料和黏結(jié)劑，采用熱法制備覆膜鋯砂，SLS 快速成形工藝制備鋯砂鑄型并澆注了鈦合金鑄件，研究了鈦與鑄型之間的界面反應(yīng)。結(jié)果表明，采用 SLS 覆膜鋯砂快速制備鑄型，選用氧化釔制備涂層澆注鈦液可以鑄造出輪廓清晰、表面光潔的鈦鑄件。趙開發(fā) [54] 結(jié)合鈦合金砂型鑄造和 SLS 的特點，進行了覆膜鋯砂的激光燒結(jié)成形和純鈦的 SLS 鋯砂砂型澆注實驗，得到合格的鈦鑄件。北京航空材料研究院股份有限公司與南昌航空大學 [55] 通過在 SLS 用型砂材料中添加一定比例的無機黏結(jié)劑、燒結(jié)助劑等，并經(jīng)過高溫焙燒，制備了適合于鈦合金鑄造的砂型 / 芯，實現(xiàn)了鈦合金快速砂型鑄造。
與熔模鑄造相比，將 3D 打印砂型和砂芯制備技術(shù)應(yīng)用于鈦合金鑄造，對制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中小型鑄件有較大的優(yōu)勢。且 3D 打印砂芯具有較好的潰散性，比陶瓷型芯、機加石墨型芯更容易清除，因此具備很好的應(yīng)用前景。
2.5 反重力鑄造
反重力鑄造具有平穩(wěn)和可控的充型、良好的順序凝固和補縮條件，較高的材料利用率等優(yōu)勢，且能夠減少缺陷，提高鑄件性能，因此在有色合金鑄造中得到了廣泛應(yīng)用 [56]。反重力鑄造可分為低壓鑄造、真空吸鑄、調(diào)壓鑄造及差壓鑄造等。由于鈦合金需要在真空或保護氣體下熔煉，對熔煉工藝和設(shè)備有很高的要求，比如真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉、電弧熔煉等，因此鈦合金反重力鑄造的研究和應(yīng)用較為少見。
日本 Daido Castings 公司發(fā)明了一種適合鈦和鈦合金鑄件的成形工藝，即 Levicast 鑄造 [57]。該鑄造方法結(jié)合了真空吸鑄和水冷坩堝懸浮熔煉（圖 7），并成功應(yīng)用于 TiAl 合金汽車發(fā)動機排氣閥的生產(chǎn)。
Xiong 等 [58] 采用熔模鑄造真空吸鑄工藝制備了 TiAl 排氣閥，并采用 FLOW-3D 和 ProCAST 鑄造模擬軟件預(yù)測了 TiAl 合金排氣閥在真空吸鑄過程中的充型和凝固行為，通過對壓差等工藝參數(shù)的控制，減少了充型過程中可能產(chǎn)生的氣孔和凝固過程中的縮孔缺陷。實驗驗證表明，采用這種工藝可以顯著降低缺陷，提高鑄件質(zhì)量（圖 8）。
張守銀 [59] 對鈦合金反重力鑄造工藝進行了研究，設(shè)計了具有不同尺寸的試棒及薄板結(jié)構(gòu)鑄件（220 mm×220 mm×200 mm，模殼及鑄件見圖 9），研究了鑄件尺寸與充型能力、微觀組織的關(guān)系。研究結(jié)果表明，澆注溫度為 1760℃，模殼預(yù)熱溫度 650℃，充型壓力 60 kPa，升壓速度 9 kPa/s 時可最大限度地減少鑄造缺陷的產(chǎn)生。薄板鑄件的組織隨壁厚增加，由針狀馬氏體（3 mm 壁厚）向片層組織（9 mm 壁厚）過渡，且片層厚度隨壁厚增加，即隨冷卻速度的減緩而增大。受限于鈦合金熔煉設(shè)備性能及鈦合金密度顯著高于鋁合金和鎂合金（即需要更大充型壓力），目前反重力鑄造工藝制備大尺寸鈦合金鑄件的研究尚未見文獻報道，該技術(shù)突破仍面臨顯著挑戰(zhàn)。
2.6 金屬型鑄造
金屬型鑄造鑄型可以重復(fù)利用，有利于鈦合金鑄件的批量生產(chǎn)；且鑄型的冷卻作用，能加快鑄件的冷卻速率，細化內(nèi)部組織，使鑄件力學性能得到提升。因此，鈦合金的金屬型鑄造方法在簡單鈦合金產(chǎn)品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。美國普惠公司實踐研究表明，當鈦合金采用金屬型工藝進行澆注成形時，同熔模陶瓷型工藝相比，成本降低約 40%，且鑄件的綜合力學性能更加優(yōu)異，目前已應(yīng)用金屬型鑄造技術(shù)制造了 F119 發(fā)動機的第 4、5 級高壓壓氣機阻燃鈦合金導(dǎo)流葉片 [60]。美國 EMTEC 所針對鈦合金排氣閥的金屬型鑄造工藝展開了研究，分別采用金屬型和陶瓷型澆注了試樣，結(jié)果表明金屬型澆注的試樣具有更高的抗拉強度和屈服強度 [61]。姜延亮等 [62] 采用金屬型模具澆注出最長尺寸為 574 mm，壁厚在 2~6 mm 之間變化的尾翼鈦合金鑄件，鑄件成形完整，無明顯裂紋、冷隔及穿透性缺陷。陳曉明等 [63] 采用模具鋼 4Cr5MoV1Si 作為金屬鑄型，澆注制備了舵軸鑄件，表面質(zhì)量優(yōu)于同類采用機加石墨型鑄造的鈦合金鑄件。常化強等 [64] 使用球墨鑄鐵制備金屬模具并澆注了鈦合金鑄件，通過金相組織檢測發(fā)現(xiàn)鑄件表面污染層厚度小于 0.05 mm。但金屬型也存在局限性，比如分型較為復(fù)雜，且金屬型導(dǎo)熱率和蓄熱系數(shù)大，鈦液冷卻較快，因此適用于結(jié)構(gòu)簡單的小型鑄件。
3、鈦合金鑄造模擬
鈦合金鑄件大型化、薄壁化、復(fù)雜化的趨勢，無疑對鑄造工藝設(shè)計提出了更大的挑戰(zhàn)。鑄造模擬是鈦合金鑄造技術(shù)的重要研究領(lǐng)域之一。采用數(shù)值模擬技術(shù)對鑄造充型與凝固過程進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果及時對澆注系統(tǒng)設(shè)計和工藝參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，對成品質(zhì)量進行提前把控，從而縮短產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)周期，節(jié)約預(yù)算，對鑄造行業(yè)意義重大。
目前，鑄造仿真模擬技術(shù)的運用主要集中在 4 個方面：充型凝固模擬、凝固過程應(yīng)力模擬、縮孔縮松預(yù)測和凝固過程微觀組織模擬 [65]。目前常用的鑄造模擬軟件有美國的 ProCAST 和 FLOW-3D、德國的 MAGMASOFT、中國的華鑄 CAE 及韓國的 AnyCasting 等 [66-68]。
徐達鳴等 [69] 建立了離心力場下鑄造充型流動的數(shù)學模型，對鈦合金薄壁鑄件在重力場下的充型過程進行了實例模擬計算。王華橋等 [70] 針對大型薄壁鈦合金菱形骨架鑄件，采用 AnyCasting 軟件對鑄件的充型和凝固過程進行模擬分析，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了鑄造工藝。丁雪等 [71] 針對鈦合金薄壁件鑄造工藝中存在的鑄件尺寸難以精確的問題，利用華鑄 CAE 軟件進行研究，提出了預(yù)先在設(shè)計階段增加補正量來平衡鑄造收縮的影響，成功解決了出現(xiàn)的尺寸超差問題。孫冰等 [72] 針對薄壁框架類鈦合金鑄件在鑄造過程中易出現(xiàn)縮松縮孔、變形等問題，設(shè)計兩種澆注系統(tǒng)方案并采用 ProCAST 軟件，最終確定了方案的可行性并對比選擇最優(yōu)的工藝方案。范李鵬等 [39] 采用鑄造模擬軟件 ProCAST 對兩種鑄造工藝進行了對比，發(fā)現(xiàn)底注式澆注工藝鑄件品質(zhì)較優(yōu)，其縮孔、縮松主要集中在澆注系統(tǒng)和補縮冒口中，鑄件內(nèi)部縮孔縮松傾向小。Tao 等 [73] 開發(fā)了基于有限差分方式的鑄造模擬軟件，并對機匣熔模鑄造工藝進行了模擬分析，結(jié)果顯示，離心鑄造工藝相較于重力鑄造工藝在集中縮孔缺陷方面并無明顯改善，而且從工程角度來看，重力鑄造工藝可能更為合理。離心鑄造可能會加劇鈦液對型壁的沖刷，帶來更多的夾雜缺陷。
石宇航等 [74] 提出了一種能夠高效、準確生成適用于有限差分方法的六面體均勻網(wǎng)格算法。該算法生成的網(wǎng)格準確還原了模型的特征，為后續(xù)數(shù)值計算提供了精確、可靠的計算域。對于鈦合金機匣鑄件，生成 952 萬個 4 mm 網(wǎng)格用時為 3.442 s（圖 10a）。根據(jù)該網(wǎng)格劃分的凝固模擬結(jié)果見圖 10b。
鈦合金中介機匣在鑄造過程中，流道與支板圓角位置存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄件整體性能降低。劉珍君等 [75] 采用 ProCAST 軟件對支板 R 角處的應(yīng)力分布和熱裂傾向進行了預(yù)測（圖 11）。模擬結(jié)果表明，支板 R 角處是應(yīng)力集中的主要區(qū)域；支板在與外環(huán)、分流環(huán)、內(nèi)環(huán)接觸部分均產(chǎn)生了一定的熱裂傾向。該應(yīng)力模擬較為準確地預(yù)測了實際生產(chǎn)中存在的問題。在組織模擬方面，崔新鵬等 [76] 和 Zhang 等 [77] 利用 ProCAST 軟件中的 CAFE 算法、開源軟件 μMatIC，模擬了不同壁厚 Ti-6Al-4V 鈦合金鑄件的晶粒組織，與試驗結(jié)果吻合較好。
鈦合金鑄造模擬已經(jīng)在充型、凝固、應(yīng)力分析及微觀組織預(yù)測等方面得到了成熟的應(yīng)用，在指導(dǎo)鑄造工藝的設(shè)計及優(yōu)化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品品質(zhì)方面發(fā)揮了重要作用。鈦合金鑄造數(shù)值模擬也存在一些限制，如鈦合金的熱物性參數(shù)測量和獲得較為困難，尤其是鈦合金熔體；常用鑄造鈦合金種類繁多，而目前數(shù)值模擬計算中往往采用最容易獲得的 ZTC4 合金參數(shù)。因此，需結(jié)合材料計算軟件和實驗測試，對鈦合金數(shù)據(jù)庫進行完善，不斷提高鑄造模擬的準確度。
4、鈦合金鑄件熱等靜壓
鈦合金鑄件常產(chǎn)生縮松、縮孔和氣孔等缺陷，這些問題不僅對鑄件性能產(chǎn)生不利影響，還可能成為導(dǎo)致其失效的潛在風險。熱等靜壓（hot isostatic pressing, HIP）技術(shù)對鑄件內(nèi)部縮孔、縮松等孔洞缺陷的彌合修復(fù)和鑄件內(nèi)部質(zhì)量提升具有顯著作用。目前熱等靜壓已成為鈦合金鑄造一個非常重要的工序，航空、航天用的 I、II 類鑄件均需經(jīng)過熱等靜壓處理 [78]。
鈦合金鑄件的熱等靜壓處理是在密閉耐壓容器中進行的一種工藝。該過程通過先對容器進行抽真空，再充入惰性氣體并升溫加壓，使鑄件處于高溫高壓環(huán)境中，鑄件內(nèi)部的封閉氣孔、縮松和縮孔等缺陷被壓實和閉合，缺陷區(qū)域通過擴散結(jié)合形成致密的組織結(jié)構(gòu)，從而修復(fù)內(nèi)部缺陷并提升鑄件性能 [79]。鈦合金鑄件經(jīng) HIP 后的抗拉強度有所下降，屈服強度沒有明顯變化，塑性得到明顯改善 [80]。趙嘉琪等 [81] 通過系統(tǒng)研究，確定了 ZTC4 鈦合金鑄件熱等靜壓工藝中溫度、壓力及保壓時間等參數(shù)的優(yōu)化組合，從而獲得優(yōu)良的綜合力學性能。Cai 等 [82] 研究表明，經(jīng) 900~930℃、壓力大于 100 MPa 的 HIP 處理后，ZTC4 鈦合金內(nèi)部致密無缺陷，強度接近鍛件水平，塑性和疲勞壽命顯著增加，力學性能分散度下降，顯著提高了材料使用性能和可靠性。紀志軍等 [83] 研究表明，在熱等靜壓工藝高溫高壓條件下，ZTC4 鈦合金鑄件內(nèi)部缺陷附近的片層組織及晶界均存在大量扭曲變形，缺陷通過蠕變、擴散實現(xiàn)了閉合；同時，熱等靜壓工藝后 ZTC4 鈦合金鑄件 α 片層組織顯著增厚。
由于受設(shè)備限制，熱等靜壓后鑄件的冷卻速度較為緩慢。提高熱等靜壓鑄件的冷卻速度，將熱等靜壓和熱處理進行一體化處理，有望提升鑄件性能，并大幅降低能耗。
5、展望
隨著適合鈦合金鑄造的鑄造材料開發(fā)、計算機模擬技術(shù)的進步，以及鈦合金鑄造設(shè)備、熱等靜壓設(shè)備的不斷改進，鈦合金鑄造得到了快速的發(fā)展，同時也面臨更多的挑戰(zhàn)。
(1) 開發(fā)適合鑄造的鈦合金體系。針對高溫、高強度及耐腐蝕等極端服役條件，開發(fā)新型鈦合金材料，如高溫合金化鈦合金、低密度鈦合金和功能化鈦合金。通過成分設(shè)計和合金化，進一步提高鑄造鈦合金的綜合性能。
(2) 大型復(fù)雜鈦合金鑄件需求繼續(xù)增大，對熔模鑄造蠟?zāi)５囊惑w化制備、蠟?zāi)：丸T件尺寸精度都有更高的要求。
(3) 砂型鑄造等低成本的鈦合金鑄造工藝有著較大的應(yīng)用前景。通過型砂材料、涂料的開發(fā)，提高砂型鑄造的尺寸精度和表面質(zhì)量，降低鈦合金鑄造的生產(chǎn)成本。
(4) 快速鑄造技術(shù)在鈦合金鑄造領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力。未來研究方向?qū)⒕劢乖谶m合鈦合金鑄造的型砂材料體系開發(fā)和 3D 打印砂型（芯）工藝研究，快速鑄造技術(shù)的成型精度、鑄件冶金質(zhì)量的改善，以及生產(chǎn)成本的降低。如何結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝，形成互補的制造模式，實現(xiàn)高效低成本的復(fù)雜零件制，也是需要考慮的重要課題。
(5) 由于鈦合金的高熔點和化學活性，各種鈦合金的熱物理性能參數(shù)測量較為困難，無法為鈦合金鑄造模擬提供準確的輸入。為提高鑄造模擬的準確程度，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要完善。
(6) 定量表征熱等靜壓對鑄件缺陷的彌合，以及將熱等靜壓和熱處理一體化，調(diào)控鑄件組織，同時減少能源消耗，值得進一步深入研究。
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