本文關鍵詞：鈦合金熔模鑄造技術，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

專題綜述；REVIEW；鈦合金熔模鑄造技術；TheInvestmentCastingofTi；222；閻峰云1，陳基東1，馬孝斌1，；（1.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國；2.蘭州理工大學有色金屬合金及加工教育部重點實驗；摘要：鈦合金是一種昂貴的航空航天材料，熔模鑄造技；料的利用率等優(yōu)點，已成為鈦合金鑄造中最為常用的一；關鍵詞：鈦合金，熔模鑄造，

專題綜述

REVIEW

鈦合金熔模鑄造技術

TheInvestmentCastingofTitaniumAlloy

222

閻峰云1，陳基東1，馬孝斌1，

（1.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州730050

2.蘭州理工大學有色金屬合金及加工教育部重點實驗室，蘭州730050）

摘要：鈦合金是一種昂貴的航空航天材料，熔模鑄造技術具有鑄件尺寸精度高、表面粗糙度好、提高原材

料的利用率等優(yōu)點，已成為鈦合金鑄造中最為常用的一種鑄造方法。本文針對鈦合金熔模鑄造技術，概述了造型材料、真空熔煉和鑄件后期處理的工藝方法以及研究進展，并指出了鈦合金鑄造的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：鈦合金，熔模鑄造，造型材料，真空熔煉中圖分類號：TG249．5;文獻標識碼：A；文章編號：1006－9658（2009）02－5Abstract:TheTitaniumalloyinvestmentcastingincludingtechnologiesandprogressinresearchon

vacuummeltingandthetreatmentofcastingshavebeensummarizedwiththemoldingmaterials，

developingtendencyofTialloyfoundrypointedout.

Keywords:Titaniumalloy，investmentcasting，moldingmaterical，vacuummelting鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能好等優(yōu)點，已成為一種優(yōu)良的航空航天結構材料。近來年隨著國內外航天事業(yè)的飛速發(fā)展，鈦合金成形技術已經(jīng)成為人們研究的熱點。熔模鑄造是鈦合金最成功、也是應用最廣泛的近凈形成形技術，它具有鑄件的表面粗糙度好、尺寸精度高等優(yōu)點，可顯著提高原材料的利用率（可達75%~90%）。特別是1970年代末以來，熱等靜壓技術（HIP）廣泛應用于鈦合金鑄件，使得某些鑄造缺陷得以消除，鈦合金鑄件的力學性能及其穩(wěn)定性得到了明顯改善，促使鈦合金鑄件在航空航天工業(yè)中取得了廣泛的應用。

鈦及鈦合金具有很高的化學活性，在高溫下，鈦會與各種氣體及常用的耐火材料發(fā)生反應，從而使得熔體質量下降，因此在鈦合金熔模鑄造過程中（見圖1）型殼材料的選擇和熔煉工藝是鈦合金鑄造技術

蠟模制作與組裝焊接修補

檢測熱處理

耐火材料涂層

熱等靜壓尺寸檢查

迄今為止，世界上只有少數(shù)國家掌握某些鈦的關鍵。

合金鑄造技術[1-4]。本文綜述了國內外鈦合金熔模鑄造技術的研究現(xiàn)狀，為今后鈦合金鑄造技術的研究與發(fā)展提供相應的依據(jù)。

1造型材料1.1粘結劑

粘結劑是鈦合金熔模鑄造中型殼的重要原材料，它直接影響型殼、鑄件質量，生產(chǎn)周期和成本。在鑄型焙燒后，粘結劑所生成的產(chǎn)物，對熔融鈦應具有較高的穩(wěn)定性。水玻璃、硅酸乙酯等鑄造常用粘結劑，只能用作鈦合金鑄造型殼的背層材料，對于面層，需要的是能夠在煅燒后，生成比SiO2更穩(wěn)定氧化物（如Al2O3，ZrO2，CaO和Y2O3等）的粘結劑。

保證型殼面層的惰性是選擇面層粘結劑的主要

脫蠟及鑄型檢查噴丸處理、化學腐蝕無損檢測

成品

澆注

真空熔煉

脫模

圖1

收稿日期：2008－11－28文章編號：2008－150

熔模鑄造工藝流程

作者簡介：閻峰云（1962－），男，教授，主要從事半固態(tài)成形技術的

研究

原則[5]，通常鑄鈦用的粘結劑可分為碳質粘結劑和氧化物粘結劑。目前國內外鑄鈦生產(chǎn)中使用的碳質粘結劑主要是合成樹脂和合脂，此外還有糊精、淀粉、

CFMT中國鑄造裝備與技術2／2009

1

Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2�，F(xiàn)在，用作熔模鑄造型殼面層和鄰面層的材料主要是ZrO2、Y2O3、CaO，ThO2由于具有放射性已基本不用。

未經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2不能用作鑄鈦的造型材料，因為在高溫環(huán)境中ZrO2會發(fā)生同素異形體轉變，使型殼發(fā)生開裂。為了解決這個問題，通常采取

經(jīng)高溫電熔或煅燒后向ZrO2中加入4%~8%的CaO，

就可以得到穩(wěn)定的ZrO2固溶體，工業(yè)上大多采用電熔ZrO2。

Y2O3同ZrO2一樣，必須經(jīng)過高溫穩(wěn)定化處理后才能用作鈦合金造型材料。Y2O3陶瓷型殼具有熱導率低、強度高等優(yōu)點，成為近年來國內外研究的熱點。Richerson[19]已成功研究以Y2O3為主，混以少量稀有重金屬氧化物制成陶瓷坩鍋和鑄型。戴介泉等人還開發(fā)了一種名為HREMO的新型耐火材料[20]，是一種含Y2O360%以上的混合重稀土氧化物，主要成分還包括Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3等，該材料較純Y2O3廉價了許多，是一種較為理想的鑄鈦耐火材料。CaO具有價格低廉和與熔融鈦化學穩(wěn)定性好的特點一直倍受青睞，可是其工藝性不好，容易吸潮，阻礙了它的應用。用CaCO3作為鑄型材料，鑄型經(jīng)1000℃焙燒后，使CaCO3轉化為CaO，并在700~800℃下澆注鈦合金，可以有效地避免CaO的吸潮。無論是CaO或碳酸鈣用作鑄型材料，都要經(jīng)過預先的除雜處理。

Richerson[21]的研究以Y2O3為主，混以少量稀有重金屬氧化物制成陶瓷坩鍋和鑄型。這種方法比較成功，但是存在著工藝反復、成分復雜、高費用的缺點。

LaSalle[22]介紹了采用碳酸鈣預制涂料漿制備氧化鈣面層涂料，LaSalle已使用這種型殼澆注出渦輪增壓器的轉子。1.2.3金屬材料

在鈦合金鑄造領域中，金屬型也占有一定的地位，用作鑄型的金屬材料主要有銅、鋼、鑄鐵等，與石墨加工型一起統(tǒng)稱為硬模系統(tǒng)。由于存在著工藝上的分型等難點，這種方法很難制造出復雜形狀的鈦鑄件，而大多只在特定的鑄件上使用。鑄鐵型價格便宜，澆注出的鈦鑄件表面質量良好，但鑄鐵型在使用中易撓曲變形，甚至破裂，壽命不如鋼或銅。若在金屬型內噴涂涂料，壽命還可延長，此類鑄件的粗糙度稍低于石墨加工型。

另一類金屬材料即鎢、鉬、鉭、鈮等難熔金屬粉，此類材料熔點高，與熔融鈦接觸時化學穩(wěn)定性好，常用于鈦合金熔模精鑄的面層涂料。目前，常用的方法

CFMT

瀝青和膠體石墨等。氧化物粘結劑主要有二醋酸鋯、硝酸鋯、碳酸鋯銨、硅溶膠等，其中二醋酸鋯[6]是鈦合

金精鑄型殼工藝中重要的金屬有機化合物粘結劑，廣泛應用于面層涂料工藝。不論是難熔金屬面層工藝，還是惰性氧化物面層工藝，都可以用它作主要粘結劑。二醋酸鋯價格比較昂貴，因此價格低廉的硅溶膠通過技術改進后也被應用于實際生產(chǎn)[7-8]。

從實際制得的鑄件質量來看，國內北京航空材料研究所研制的Gu-1、Gu-3型粘結劑[9]，哈爾濱工業(yè)大學研制的LJ-8型粘結劑[10]均可制備出表面質量良好的薄壁鈦合金鑄件。目前所用的大多數(shù)粘結劑還不能完全適合鈦合金鑄造，它們的焙燒產(chǎn)物大多與耐火材料的成分相同，與鈦的反應依然存在。粘結劑的研制始終滯后于耐火材料的研制，因此，同開發(fā)新型耐火材料一樣，粘結劑也需進一步的開發(fā)。1.2

耐火材料

金屬與鑄型界面相互作用是影響鑄件質量的首要因素。熔融的鈦合金具有很高的化學活性，幾乎可

以與所有的耐火材料反應，在鑄件表面形成污染層，惡化鑄件的內在和外觀質量。此外，鈦鑄件的其他幾種主要缺陷也都和熔融鈦與鑄型的相互作用有關。因此，面層耐火材料的選擇非常關鍵。目前所使用的面層耐火材料大體可分為以下四大類：碳質耐火材料、氧化物陶瓷材料、金屬材料及其它材料[11]。1.2.1碳質耐火材料

用于鈦合金鑄造的碳質耐火材料主要是指人造石墨[12]，其性能在很大程度上取決于原材料和制備工藝。人造石墨是以石油焦、炭墨、瀝青焦為主要原料，在2600~3000℃高溫下煅燒而成的。人造石墨在真空下耐火度高，熱膨脹系數(shù)小，強度隨溫度升高而有所提高，對熔融鈦合金有一定的惰性，石墨與液鈦在較低溫度下反應很弱，只在鑄件表面發(fā)生輕微的滲碳現(xiàn)象，形成滲碳層。但是人造石墨作為耐火材料存在一定的缺點，易氧化，必須工作于真空、還原性氣體氣氛或惰性氣體氣氛下；吸咐氣體能力強，石墨砂吸附氣體的能力是同牌號石墨塊的10倍；熱導率高，僅次于鋁、銅，易使鑄件表面出現(xiàn)微裂紋。

美國的Howmet公司首先對熔模石墨型殼進行了研究，該公司的Lirones[13-17]先后發(fā)表了一系列專利，在專利中詳盡介紹了石墨熔模型殼的工藝和使用。

1.2.2氧化物陶瓷材料

目前，國際上主要使用惰性氧化物作為面層型殼材料[18]。各種氧化物材料按其對熔融鈦合金的化學穩(wěn)定性由低到高排列的順序如下：SiO2、MgO、

2

中國鑄造裝備與技術2／2009

坩堝組塊

坩堝組塊縫隙

是鎢面層熔模精鑄方法，但生產(chǎn)出的鑄件表面會粘結部分難熔金屬粉，需進行堿洗處理；金屬面層的熱導性也很高，鑄件易出現(xiàn)冷隔缺陷。此類鑄件表面粗

尺寸精度可達鑄鋼件水平[23]。糙度Ra為6，

Basche[24]用鎢的化合物滲透普通的陶瓷型殼，然后在還原性氣氛下，如氫氣狀態(tài)中焙燒，將鎢的化合

物還原，生成鎢和鎢的氧化物，這樣就在耐火材料表面包覆了一層鎢。這種型殼從一定程度上減少了鈦的反應

1.2.4其它材料

前人對一些碳化物、硼化物、硅化物和硫化物也作了大量研究[25-26]。典型的物質包括：TiC、ZrC、Cr3C2、TiB2、MoB2、CrB2、TaB2、MoSi2、CeS。部分碳化物（ZrC、Cr3C2）與鈦形成低熔點的共晶相。組成物質的任一組元若能與鈦形成低熔點相，那么該物質就不可避免地會與液鈦發(fā)生不同程度的化學反應。只有TiC和CeS表現(xiàn)出與鈦的弱反應性。2

鈦合金的熔煉

20世紀50年代開始，美國礦業(yè)部在Croll工藝

熔池

感應線圈

凝殼

出水口

進水口

圖3內熱式感應熔煉法示意圖

屬熔體只是在表面被加熱，熱量通過熱傳導和對流傳到熔體深處。因此熔體表面溫度較高，由表面到深處存在一定的溫度梯度，導致熔池較淺。

目前使用最廣泛的是自耗電極電弧爐熔煉法[33]，此種方法以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽極；熔化了的電極以液滴形式進入坩堝，形成熔池；熔池表面被電弧加熱，始終呈液態(tài)，底部和坩堝接觸的四周受到強制冷卻，產(chǎn)生自下而上的結晶。這種方法具有結構簡單、維持費用低、大型化容易等優(yōu)點，缺點是澆注溫度難以調節(jié)和控制，金屬過熱度不高，使得熔體流動性和補縮能力較差，并且廢料難以回收。

自耗電極電弧爐對電極的質量要求很高，對原料要求也較高。電子束爐、等離子弧爐要求電源功率較大，成本相對提高。另外，這些熔煉方法所造成的熔池較淺，增大熔池體積只有增大表面積，相應地增大了蒸氣壓，而導致元素的揮發(fā)損失，這對控制合金成分是不利的。為了降低成本、提高熔體質量，開發(fā)出了內熱式熔煉法，最具代表性是電磁冷坩堝熔煉法（圖4）。

2.2內熱式熔煉法

電磁冷坩堝技術是將分瓣的水冷銅坩堝置于交變電磁場內，利用交變電磁場產(chǎn)生的渦流熱熔化金屬，并依靠電磁力使金屬熔體與坩堝壁保持軟接觸或者非接觸狀態(tài)，并對爐料進行感應熔煉或者成形的技術[34]，見圖4。電磁冷坩堝技術是近幾年興起的新技術，它充分利用了電磁場和金屬相互作用的熱效應和力效應[35]。

感應熔化、懸浮和攪拌的作用使電磁冷坩堝技

基礎上重點開發(fā)研究了冷坩堝重熔技術，基本上滿足了熔煉鈦合金的技術要求。近年來，隨著鈦合金的發(fā)展及生產(chǎn)的需要，雖然出現(xiàn)了熔煉鈦合金的各種方法，如電子束爐、等離子弧爐、真空感應爐、磁懸浮熔煉技術等，但這所有的熔煉方法都采用真空及冷坩堝技術。冷坩堝技術工作原理為：在水冷銅坩堝中熔煉金屬時，水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層由金屬熔體重新凝固而產(chǎn)生的固體殼層，即所謂凝殼，此時坩堝內襯相當于用所熔金屬制成，避免了坩堝對金屬熔體的污染[27]。根據(jù)加熱方式的不同，可分外熱式熔煉和內熱式熔煉兩種方法[28]，見圖2、圖3。

控制器

能量發(fā)生器坩堝熔體凝殼冷卻水

圖2外熱式加熱熔煉法示意圖

2.1

外熱式熔煉法

外熱式熔煉方法根據(jù)熔煉時熱量來源不同，又可分為自耗電極電弧爐熔煉、非自耗電極電弧爐熔煉、電子束爐、等離子弧爐等幾種[29-32]，其中能量發(fā)生

器分別為自耗電極、非自耗電極、電子槍、等離子弧炬等。能量發(fā)生器產(chǎn)生的能量使金屬熔化并過熱，金

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3

專題綜述

REVIEW

感應線圈水冷導管熔體2500Hz

加熱溫度不宜超過β單相區(qū)，否則會引起β相晶粒急劇長大，產(chǎn)生β脆性；因此固溶處理時應加熱到α＋β兩相區(qū)上部溫區(qū)，經(jīng)充分保溫使合金元素充分溶入固溶體中，然后水冷淬火[38-39]。固溶處理后的時效溫度一般在500~600℃之間。

無損檢測

X射線檢測是鈦合金鑄件進行無損檢測的一種常用方法。但是由于夾雜的密度和鈦合金的密度相差較小并且X射線的穿透深度有限，所以X射線只能檢測厚度小于3.75cm薄壁鑄件，對于大型厚壁鑄件卻無能為力。近來，W.J.Richards等人使用中子射線來檢測大型厚壁鑄件，從而大大提高了夾雜的檢測能力，中子射線可以用來檢測厚度為7.5cm內小于0.75mm的夾雜[40-43]。超聲波探傷具有檢測厚度大、靈敏度高、速度快等優(yōu)點，也被應用于鈦合金鑄件的檢測[44]。4

發(fā)展趨勢3.4

圖4電磁冷坩堝熔煉法原理圖

術具有很多優(yōu)點：①金屬在水冷銅坩堝中懸浮或軟

②感應加熱可以接觸，可以使金屬沒有污染地熔化；

熔化高熔點的金屬；③電磁力的強烈攪拌使熔體組織成分均勻；④適用范圍廣，可以熔煉不同成分的合金和材料；⑤高溫熔體對冷坩堝無實質性腐蝕，使用壽命長。

3鑄件的后期處理3.1熱等靜壓

熱等靜壓（HIP）是1970年代發(fā)展起來的新技術，是在高溫下利用各向均等的靜壓力進行壓制的工藝方法。HIP可以消除鈦鑄件內的微觀縮孔或氣泡，從而提高鑄件質量，但直徑大于10mm的縮孔很難在熱等靜壓中壓扁焊合，需通過X光檢驗測定縮孔部位后，進行補焊。對于Ti-6Al-4V合金，HIP是在氬氣中進行的，溫度為920℃，壓力為1~2MPa，持續(xù)時間為2h或更長一些。當然，不同的鈦合金所設定的處理條件不同，通常的溫度范圍為900~1100℃，壓力為1~2MPa。

[28]

（1）鈦合金鑄件的生產(chǎn)成本限制了它在航空航

天工業(yè)上的應用，因此鈦合金的發(fā)展將主要放在如何降低成本上，造型材料和真空熔煉是生產(chǎn)中的高成本環(huán)節(jié)，應進一步加大此方面的研究。

（2）鈦合金鑄件將越來越多地應用在易疲勞、易斷裂等關鍵部位，加大鈦合金研發(fā)，將是鈦合金發(fā)展的又一大趨勢。

（3）由于鑄造鈦合金在鑄造過程中經(jīng)常存在鑄造應力、組織性能不均勻等問題，為確保鑄件的使用質量，針對鈦合金鑄件開發(fā)熱等靜壓和熱處理技術研究顯得尤為重要。

（4）熔模鑄造只能生產(chǎn)中小型鑄件，應尋求一種生產(chǎn)更大型、更凈形、更高效鑄件的工藝，提高鈦合金鑄件的生產(chǎn)能力。

（5）進一步擴大計算機模擬凝固技術在鈦合金鑄造中的應用,以提高鑄件質量，減小鑄件的廢品率。

參考

[1][2]

3.2

焊接修補

熱等靜壓可以消除鑄件內部缺陷，但是不能消

除鑄件表面缺陷。所以在熱等靜壓處理后需要對鈦鑄件表面進行檢測，若表面存在凹凸缺陷，可采用焊接來修補。鈦是完全可以焊接的，焊接件具有優(yōu)良的拉伸和疲勞性能，有時甚至超過基體的性能[36]。惰性氣體鎢弧焊是鈦合金焊接常用的工藝。3.3

熱處理

β型和α＋β型鈦合金均可進行強化熱處理，即

文獻

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通過固溶淬火得到亞穩(wěn)定的過飽和固溶體，然后再進行時效，從而達到強化目的。影響強化效果的三要素是固溶加熱溫度、淬火冷卻速度和β相合金元素含量[37]。

β型合金固溶處理時，加熱到β單相區(qū)后充分保溫，使合金元素充分溶入β相固溶體中，小件和薄件可空冷淬火，大件和厚件水冷淬火。α＋β型合金固溶

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新建鑄造項目開工

2008年12月28日，安徽天和機械有限公司新建鑄造項目在全椒經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)舉行隆重的開工儀式。

安徽天和機械有限公司新建鑄造項目，占地293畝，總投資4.1億元。該項目將新建8萬平方米廠房，引進國際先進的靜壓水平分型造型線、冷芯盒制芯中心等關鍵設備和工藝技術，新建由制芯、造型、熔化、清理、砂處理工部組成的鑄造中心。主要生產(chǎn)四缸、六缸系列柴油機缸體和缸蓋以及其他優(yōu)質鑄件，以滿足全柴動力和天利動力配套需求。項目達產(chǎn)后實現(xiàn)年產(chǎn)8萬噸鑄件。

CFMT中國鑄造裝備與技術2／2009

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本文編號：180063