钛合金金属铸造新工艺探析

张爽

（哈尔滨东安发动机（集团）有限公司 黑龙江哈尔滨 150066）

钛合金金属铸造新工艺探析

张爽

（哈尔滨东安发动机（集团）有限公司 黑龙江哈尔滨 150066）

钛合金是一种性能优良的新材料，被誉为“未来金属”。具有密度小、比强度高、抗腐蚀性能好等特点。由于航空、航天用零部件对材料比强度有很高的要求，因此钛合金作为一种高比强合金在航空、航天领域的应用越来越多。同时，钛在地壳中蕴藏量丰富，所以有着广泛的应用前景，发展非常快，短时间内已显示出了它强大的生命力，成了能源工业、海上运输业、航空航天工业、化学工业以及医疗保健等方面不可缺少的材料。

钛合金；铸造；精密

钛合金铸造就是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。同时，它的适应性较广，且具有较好的综合机械性能。钛合金从实现工业生产至有60多年，现代钛合金铸造生产的毛坯成本低廉，对于形状复杂、特别是具有复杂内腔的零件，更能显示出它的经济性。由于其密度小、比强度高、耐腐蚀、线膨胀系数小、生物相容性好等一系列优异特性，广泛应用于航空、航天领域。

1 钛合金铸造工艺的适用性

1.1 钛合金可铸件形状复杂的零件

钛合金铸造零件形状复杂的、壁很薄的、尺寸精度又要求非常高的，这时就必须采用精密铸造（熔模铸造）来完成；钛合金铸件更有其独特的优越性，特别是熔模精密铸件，形状可任意复杂，可近无余量甚至无余量整体成形，尺寸小到1mm，大到上千毫米，大大增加了零件设计的自由度。铸件的大型化、整体化、薄壁化和近无余量化是高质量铸造生产面临的主要问题，引领着航空航天结构铸件的发展方向。大力开发更加适合于薄壁复杂铸件的铸造技术是实现铸件轻量化乃至铸造精确化、低成本化和短周期化的有效途径。现代航空、航天飞行器不但要求轻型化、速度高，还要求性能好、寿命长、安全可靠。为了进一步提高飞行器的性能，必须尽一切可能降低重量，以往采用由小锻件连接的一些大部件将尽可能改用整体的结构形式，这样可以明显提高结构的刚性和减轻重量。尤其是钛合金件，由于焊接技术难度很大，更希望做成整体构件，因此大型、薄壁、复杂、整体、精密制造技术已经成为国外航空、航天飞行器用的钛合金结构件制造技术的发展趋势。

1.2 少量的铸件采用钛合金铸造经济合理

近年来，钛的铸造技术主要发展了冷坩埚+离子浇铸技术、真空吸铸技术和真空压铸技术。钛合金熔模精密铸造典型工艺有石墨熔模型壳，金属钨面层陶瓷型壳，氧化物陶瓷型壳。钛合金材料生产成本高，机械加工、锻造、焊接等比较困难，采用精密铸造技术，可以提高钛合金材料的利用率，降低生产成本。钛合金的密度仅为钢的56%左右，约4.2g/cm3，但强度却高于钢，如抗拉强度为676～1211MPa，是现代工程金属材料中最高的。几种金属材料在不同温度下的比强度，可以看出，用钛合金代替钢和铝合金而降低重量是相当可观的。同时，尺寸大、壁厚、数量较少量的铸件，直接采用钛合金铸造工艺来实现比较划算。

2 钛合金金属铸造新工艺

2.1 钛合金熔模铸造技术

近年来，随着钛合金的发展及生产的需要，虽然出现了熔炼钛合金的各种方法，如电子束炉、等离子弧炉、真空感应炉、磁悬浮熔炼技术等。熔模铸造大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可金属模铸造工艺，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。影响铸件尺寸精度的因素较多，例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在加热和冷却过程中的线量变化、合金的收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等，所以普通熔模铸件的尺寸精度虽然较高铸造工艺，但其一致性仍需提高。钛合金铸件更有其独特的优越性，特别是熔模精密铸件，形状可任意复杂，可近无余量甚至无余量整体成形，尺寸小到1mm，大到上千毫米，大大增加了零件设计的自由度。因此发展钛合金铸造技术有着重要的实际意义。

2.2 砂型铸造

砂型铸造是一种以砂作为主要造型材料，制作铸型的传统铸造工艺。砂型一般采用重力铸造，有特殊要求时也可采用低压铸造、离心铸造等工艺。砂型铸造的适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用。主要过程包括配置型砂，造型，砂型烘干，熔炼金属，合箱浇注，落砂清理，质量检验，铸件入库等过程。

2.3 壳型铸造

壳型铸造是采用金属或者石膏先做个蜡模，然后在蜡模基础上覆砂，形成壳体，把蜡化掉形成空壳，再焙烧干后浇入钢水，得到铸件的一种方法。因此壳型铸造特别适用于生产批量较大、尺寸精度要求高、壁薄而形状复杂的各种合金的铸件。但壳型铸造使用的树脂价格昂贵，模板必须精密加工，成本较高，在浇注时还会产生有刺激性的气味，这在某种程度上限制了这种方法的广泛应用。树脂砂薄壳芯可与普通砂型或金属型相互配合制造各种铸件。

2.4 等温锻造技术

等温锻造顾名思义就是在锻造过程中模具与坯料温度保持一致并始终在一定范围内的锻造工艺。与传统的常规锻造工艺不同点在于，等温锻造是把锻模温度控制在和坯料加热温度大致相当的范围内，使坯料在温度基本不变的条件下完成锻造的全过程。根据模具、坯料温度关系，又可分为近等温锻造和热模锻造。近等温锻造一般模具温度低于坯料温度30～80℃，热模锻造一般模具温度低于坯料温度100～150℃。钛合金等温锻造技术是一项新工艺，结合热机械处理能获得综合力学性能最优化的钛合金等温锻件，但在模具材料、模具制造和模具加热装置等方面的成本投入比常规锻造方法高，大多用于制造飞机的零部件。

3 结束语

总之，钛合金铸造零件具有尺寸精度高、表面质量好、近净成形、加工量少或无加工量、生产效率高等优点，具有最好的铸造工艺性能和稳定的组织，能逐渐把超塑成型技术作为解决复杂、大型或用常规成型方法难以加工的材料成型的—个重要途径。因此，加强对钛合金铸造工艺的研究就显得尤为重要。

[1]隋艳伟.钛合金立式离心铸造缺陷形成与演化规律[D].哈尔滨工业大学，2009.

[2]贾丽敏.钛合金离心精密铸造凝固组织与力学性能分析[D].哈尔滨工业大学，2006.

[3]许 锋，薛克敏.国内外钛合金等温锻造进展[J].皖西学院学报，2007（05）.

TG249.3

A

1004-7344（2016）32-0226-01

2016-10-29