摘要：國內鈦及鈦合金鑄件主要采用機加工石墨型和熔模精密鑄造兩種工藝方法生產，但受制于技術，實際生產過程中并不能完全滿足客戶對產品高品質、低成本、短交期的發展需求，因此有必要推進鑄造新技術的研發及應用，與現有技術形成互補。消失模鑄造具有其他鑄造方法所不具備的優勢，在鋼鐵、鋁等鑄件中已獲得廣泛應用，但在鈦合金中應用報道較少。主要對鈦合金消失模覆殼鑄造優勢、技術方案及應用前景進行了綜述。

　　關鍵詞：鈦合金；鑄造；消失模

　　中圖分類號:TG249.5 文獻標志碼:A DOI：10.15980/j.tzzz.2022.01.027

　　Technology and Application Research of Titanium Alloy Lost Foam Cladding Casting

　　Li Bobo, Cheng Yazhen, YangGuang, Qiao Haibin, Liu Yinqi, Yang Xuedong

　　(Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co.,Ltd.)

　　Abstract: Domestic titanium and titanium alloy castings are mainly produced by machined graphite and investment precision casting. However, the actual production process can hardly meet the requirement of high quality, low Cost and short delivery time subject to technical limitations. Therefore, it is necessary to promote research and application of new casting technology to form a complement with the existing technologies. Lost foam casting has Superior advantages, which has been widely used in metal castings such as steel, aluminum, etc., while rarely reported in titanium alloys. The advantages, technology schemes and application prospects of titanium alloy lost foam cladding casting were mainly introduced.

　　KeyWords: Titanium Alloy, Casting, Lost Foam

　　鈦合金具有密度低比強度高、耐腐蝕、無磁性、生物相容性好等特點，可顯著降低裝備質量，提高裝備壽命及性能，廣泛應用于航空航天、石油化工、艦船、海洋工程等領域[1]。與其他成形工藝相比，鈦合金鑄造能夠生產各種形狀復雜構件，減少生產工序，提高金屬利用率。據中國有色金屬工業協會統計，2017年我國鈦鑄件產量為417t[2],受軍工及高端民品等鈦鑄件強勁需求拉動，2019年鈦鑄件產量達到782t[3]，預計2020年中國鈦鑄件實際產量可達1000t，市場規模為10～20億元。

　　Ti具有高化學活性，易與 SiO2、Al2O3等常規鑄型材料發生反應，只能選擇價格昂貴的石墨、ZrO2、Y2O3等作為面層材料，并逐漸發展形成機加工石墨型和熔模精密鑄造兩種工藝[4，5]。但受鈦原材料價格高，鈦合金鑄造難度大、生產流程長、裝備及工藝復雜、鑄型材料昂貴等因素影響，限制了鈦鑄件推廣應用，導致其市場規模仍然較小。此外，機加工石墨型鑄造存在充型能力差，表面留痕、冷隔缺陷嚴重問題；同時，熔模精密鑄造生產大規格鈦鑄件生產周期長。因此，非常有必要進行鈦合金鑄造新技術的開發，與現有技術形成互補，促進鈦合金鑄造技術發展及鈦鑄件應用推廣。

　　1、消失模鑄造技術發展歷史及特點

　　20世紀50年代發明采用聚苯乙烯(EPS)泡沫板加工模樣代替木模，并用含粘結劑的型砂充填制造金屬零件，隨后Hartman公司與WITTEMOSER于1962年合作將該技術推廣應用在工業生產上[6，7]。該工藝方法生產簡便易行，采用該項技術生產鑄鐵、鑄鋼、鋁合金等金屬部件技術已非常成熟，廣泛應用于汽車發動機缸蓋、缸體、電機殼體、箱體、進氣歧管等形狀復雜部件的生產中。

　　消失模鑄造是一種近無余量、精確成形的鑄造工藝。與其他鑄造技術相比，具有如下優點[8]:①鑄件表面粗糙度低，尺寸精度高；②鑄件結構設計靈活，采用泡沫塑料制作模型，無分型面及型芯，也可采用分片方法制造泡沫模樣，后經粘合制備整體模型，因此原來由多個零件加工組裝的復雜構件，采用消失模鑄造工藝可整體鑄出，設計靈活度大；③生產操作簡便，尺寸誤差小，無毛刺飛邊，不用取模、修型、下芯、合箱，簡化了工序，縮短了生產周期，同時還能減少由于型芯塊組合及分型合箱而造成的尺寸誤差，且鑄件無飛邊毛刺，易清理打磨，勞動強度低。

　　但是，消失模鑄造技術劣勢也比較明顯，主要是:①鑄件表面品質和材質性能易受泡沫模樣氣化裂解產物的影響而惡化，造成鑄件表面碳缺陷和鑄鋼件增碳及渣氣孔等問題；②消失模鑄造生產薄壁平板類件時，容易變形，表面粗糙度及尺寸精度與精密鑄造相比略差。

　　2、鈦合金消失模技術應用前景及優勢

　　鈦合金化學性質活潑，需要在真空下熔煉及澆注，因此傳統消失模鑄造工藝不能直接應用于鈦鑄件的生產。消失模覆殼技術，可充分發揮消失模鑄造優勢，同時與熔模精密鑄造技術相結合，制備模樣后，利用其模型制備氧化陶瓷型殼并焙燒，再進行真空澆注生產鈦鑄件，可獲得接近于熔模鑄造的精度和表面品質。

　　與鑄鋼、鑄鐵等金屬大規模批量化生產不同，鈦鑄件普遍為單件定制或中、小批量生產。現有技術，鈦鑄件單件定制或小批量生產時，一般采用光敏樹脂或機加工石墨型鑄造，對于中等或大型尺寸鑄件光敏樹脂價格十分昂貴，同時近年來受環保等因素影響，石墨料價格由原來1～1.5萬元/t漲至3萬元/t以上，石墨料成本占鈦鑄件總成本的30%～60%，對于大型復雜框架式結構鑄件占比更高。此外，石墨型鑄造無法生產壁厚≤4mm的薄壁鈦鑄件，且表面流痕、冷隔、裂紋等缺陷嚴重，后序打磨、補焊工作量大，生產成本高，同時面臨環保淘汰或限制退出風險；中小型鈦鑄件批量生產時，一般采用熔模精密鑄造，但對于中大型鑄件單件或小批量生產時，大型金屬模具制作費用高昂，且加工周期長，同時大型射蠟機及制殼線投資較大、產能利用率低。消失模覆殼鑄造具有上述兩種鑄造方法所不具備的優點，可有效降低鈦鑄件生產成本，簡化生產工序，縮短生產周期，并提高鑄件品質。

　　與機加工石墨型鑄造相比，消失模覆殼鑄造可降低機加工石墨型鑄件成本30%以上，同時顯著改善表面品質及交貨期。鈦合金消失模覆殼鑄造具有優勢為:①設計靈活，采用整體模型覆殼制備鑄件，顯著提高了鑄件設計的自由度，同時通過模型切邊組合，可生產結構高度復雜鈦鑄件；②氧化陶瓷型殼導熱系數低、退讓性好，型腔內表面光滑，可解決石墨型鈦鑄件流痕、冷隔及裂紋等問題，使充型性能與表面粗糙度達到或接近熔模鑄造水平；③無需型芯，可避免機加工石墨型型芯位置不準確或合型錯位導致的壁厚不均問題，尺寸精度高；④消失模模型價格便宜、易加工，可顯著降低鈦鑄件成本，縮短生產周期；⑤生產現場干凈，無石墨粉塵污染，可滿足清潔化生產要求。

　　與鈦合金熔模鑄造技術相比，消失模模型比光敏樹脂模型成本降低80%以上，且在中大型尺寸鑄件單件或小批量生產時，無需投資大型射蠟機及金屬模具，即可實現生產，成本交期優勢尤為突出。

　　3、鈦合金消失模覆殼鑄造技術應用研究

　　3.1 工藝流程

　　鈦合金消失模覆殼鑄造工藝，首先選擇泡沫坯料，然后機加工成鑄件模型，隨后經掛漿撒砂、干燥、焙燒，獲得陶瓷型殼，在焙燒過程中，鑄件模型氣化消失，最終經過澆注獲得合格尺寸、表面及內部品質好的鑄件，具體工藝流程見圖1。

圖1 鈦合金消失模覆殼鑄造工藝流程圖

Fig.1 Flow chart of titanium alloy lost foam cladding casting

　　3.2 型殼制備及澆注

　　某產品結構見圖2，材質為ZTC4鈦合金，尺寸精度為CT4，外觀及性能符合GB/T6614要求。選擇一種消失模模型材料，其抗拉強度≥2MPa、抗彎強度≥8MPa、耐熱性及尺寸穩定性≥80℃，同時高溫下可熱解氣化，能夠滿足制殼支撐強度及尺寸穩定性要求。

圖2 鈦合金鑄件

Fig.2 Titanium alloy castings

　　3.2.1 澆注系統的設計與模擬

　　利用ProCAST模擬軟件設計澆注系統，由于按照消失模覆殼鑄造工藝生產，型殼的焙燒溫度為1100℃，型殼焙燒后消失模氣化獲得型殼。鈦合金消失模覆殼鑄造的模擬過程與熔模鑄造的模擬過程相似；按照熔模鑄造的模擬過程進行模擬。鈦合金鑄件的溫度場分布見圖3，鑄件的壁厚比較均勻，在凝固過程中鑄件的溫度場分布比較均勻，溫度差為200℃。通過溫度場分布判斷鑄件中間區域優先凝固，鑄件頂部、底端為熱節部位，易產生孤立的固相區，頂注式澆注系統對頂部的熱節進行補縮，能消除縮松，底端熱節區域因補縮不足而產生縮松。

圖3 鈦鑄件溫度場及縮松分布

Fig.3 Temperature field and shrinkage porosity distribution of titanium alloy castings

　　3.2.2 鈦合金鑄件的生產

　　采用整體加工成型的方法，用數控加工機床加工鑄件模樣，排氣試塊采用粘結劑粘結(見圖4)，并用浸蠟工藝改善表面粗糙度。面層采用醋酸鋯制殼工藝，面層材料為醋酸鋯、稀土粉、鋯砂，面層的流杯粘度控制在33～38s，背層采用硅溶膠制殼，背層材料為硅溶膠+莫來粉、莫來砂，背層1～背層2的粘度控制在21～27s，背層3～最后1層的粘度控制在13～20s。重復掛漿撒砂、型殼干燥硬化工序，完成面層、背層制備，再將型殼直接焙燒，焙燒時實施階梯式升溫，防止型殼裂紋。首先升溫至300℃，焙燒爐開始通風，消失模開始氣化，然后緩慢升溫至700℃，保溫0.5h，消失模氣化完畢，最后升溫至1100℃，保溫5h，獲得型殼(見圖5)。采用真空靜止澆注ZTC4鈦合金，獲得鑄件毛坯(見圖6)，經熱等靜壓、探傷及精整修磨后獲得鑄件。

圖4 消失模模型

Fig.4 Lost foam model

圖5 型殼

Fig.5 The mold shell

圖6 鑄件毛坯

Fig.6 Casting blank

　　3.3 檢測結果與分析

　　采用消失模覆殼鑄造生產的鈦合金鑄件，熱等靜壓前內部探傷結果見圖7。可以看出，鑄件底部有縮松，實際缺陷比數值模擬的結果要少50%，縮松位置與數值模擬的結果基本相同，消失模覆殼鑄造的實際結果與按鈦合金熔模鑄造模擬的結果基本一致，可見消失模覆殼鑄造工藝可以按鈦合金熔模鑄造的工藝進行。鑄件經熱等靜壓后，內部缺陷消除，見圖7，達到GB/T 6614標準要求，滿足Ⅱ類B級探傷要求。表面的污染層厚度為44μm，用酸洗工藝去除，且表面未發現夾雜缺陷，鈦合金鑄件的表面見圖8，表面粗糙度Ra為6.3μm。對鑄件本體力學性能進行檢測，見表1，符合GB/T6614標準要求；同時，對鑄件組織進行檢測，未發現夾雜等冶金缺陷及組織異常。

圖7 鈦鑄件等靜壓前后探傷照片

Fig.7 Inspection photos of titanium castings before and after static pressing

圖8 鑄件毛坯

Fig.8 Casting blank

表1 鈦合金鑄件力學性能

Tab.1 Mechanical properties of titanium castings

　　4、結語

　　設計選型適用于鈦合金鑄造的消失模模型材料，并采用合理的消失模覆殼鑄造技術，獲得了內外部品質、組織力學性能合格的鈦合金鑄件。消失模覆殼鑄造技術適用于生產單件小批量中大型鈦合金鑄件，無需開金屬模具，可有效解決光敏樹脂模型價格昂貴、石墨鑄型成本高的問題，經濟效益顯著。鈦合金消失模覆殼鑄造技術可采用鈦合金熔模精密鑄造的數值模擬技術進行模擬，有效提高工藝生產的合理性，澆注系統可與鑄件采用整體式加工的方法，提高了生產效率。