大型复杂钛合金薄壁件精铸成形技术研究进展

赵瑞斌

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京　100095)

大型复杂钛合金薄壁件精铸成形技术研究进展

赵瑞斌

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100095)

大型复杂薄壁钛合金精密铸造技术是当今世界军用与民用航空领域的尖端技术。介绍了熔模精密铸造技术的工艺流程、技术特点以及国内外研究现状。结合国际最流行的计算机数值模拟以及3D打印等新型技术，指出我国该项技术的研究趋势与发展方向是:①加强熔模铸造工艺的理论研究; ②深化钛合金设计研究，探索性能更高的适合于大型复杂薄壁件铸造成形的钛合金；③深入研究纯净化技术，以及夹杂和铸造缺陷与性能之间的定量关系；④建立型壳模型库；⑤研发机器自动涂浸浆料与撒砂工艺；⑥加强全过程的质量管理与控制；⑦高度关注3D打印技术在钛合金制造领域的发展及其在钛合金熔模铸造领域的应用。

钛合金；大型薄壁件；精铸技术；熔模铸造

0　引　言

钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好等特点在航空航天领域得到了广泛应用。在世界先进的战斗机上，如美国B-2 轰炸机、法国幻影 2000 及俄 Cy-27CK 战斗机等用钛量都到达了20%以上。我国战斗机的用钛量也在不断增大，如20世纪80 年代开始服役的歼八系列，用钛量为 2%，新一代战斗机的用钛量为15%，而更新一代的高性能新型战斗机的用钛量将达到 25%～30%。民用飞机上，钛的用量也在不断增大，一架 A320、A330 和 A340的用钛量分别为 12 t、18 t 和 25 t，而 A380客机因采用了全钛挂架，用钛量达到 46 t[1]。

目前，国外大型先进的航空涡轮发动机的重要部件，如 RB199 的中介机匣、CF6-80C 的风扇机匣等都采用了大型复杂薄壁钛合金整体精铸件。

由于该精铸件在减重和提高飞机的性能方面有着重要的作用，因此在军机与民机上均具有十分光明的应用前景。该精铸件的制造属于国防尖端制造技术领域，制造难度大，各国保密性强。本文对国内外大型复杂钛合金薄壁件精铸技术的研究进展进行了评述，以期对提升我国大型复杂薄壁钛合金精铸件制造水平有所裨益。

1　大型复杂薄壁钛合金铸造工艺

自从 1954 年美国矿山局采用机加工的高密度石墨型工艺成功铸造出第一个钛铸件以来，国内外针对钛合金铸造工艺的研究开发已有六十多年的历史，先后发展了砂型(捣实)铸造和壳型铸造，以实现复杂钛合金铸件的生产。但是，对于形状十分复杂、壁厚小于 4 mm 的钛铸件用砂型铸造或者壳型铸造生产非常困难，甚至不可能。而航空航天及化工等行业中又不乏大型、形状复杂、壁厚小于 4 mm 的零部件，为满足这种特殊的需求，国内外开始着力研究发展钛合金熔模精密铸造工艺。

熔模铸造是一种采用可熔性一次模料制得型壳的浇注铸件的方法，也叫做失蜡铸造。采用该方法生产的铸件表面粗糙度低、尺寸精确，因此，亦称为熔模精密铸造。钛合金熔模精密铸造是为了满足航空航天技术对于复杂薄壁件的需要而发展起来的一种先进的近净成形工艺。目前，航空航天工业使用的钛合金铸造结构件 98%以上都是采用熔模精密铸造方法生产。

钛合金熔模精密铸造工艺流程如图1所示。在熔模组(即蜡模组)表面上反复涂覆一层由耐火粉与有机或无机粘结剂组成的浆料，然后撒一层耐火砂料，重复多次直至形成一定厚度的型壳，然后经过型壳干燥、脱蜡、焙烧后浇注钛合金，对脱壳后的钛铸件进行一定的清理、检验以及必要的热处理[2]。

图1　钛合金熔模精密铸造工艺流程Fig.1　The process of titanium alloy precision casting

由于熔融态下的钛合金极其活泼，能够与绝大多数耐火材料和气体元素反应，因此钛合金熔模精密铸造与其他合金铸造相比，技术难度更大，硬件要求更高，必须满足以下条件：①钛是一种化学活性大的元素，因此与钛熔体接触的型壳面层材料必须具有高的化学惰性，在与熔融钛合金接触时不发生物理、化学反应；②钛合金的熔点很高，达到 1 668 ℃，因此所选的型壳材料必须具有高的耐火度和抗热冲击性能，确保型壳浇注时在熔融钛的高温、高压冲击力作用下不软塌、不碎裂；③为了防止型壳中吸附的气体以及有机物、水分等在浇注时挥发而对钛铸件的表面质量产生影响，并且为了进一步提高型壳的强度，浇注前型壳必须进行专门的焙烧热处理；④钛的化学活性高，易与空气中的 C、H、O、N 等发生反应，因此钛合金的浇注需要在真空或惰性气体保护下进行；⑤铸型与钛合金熔融体之间的界面反应要尽量小，冷却凝固过程必须在真空下或惰性气体保护气氛下；⑥钛合金铸件的高温热处理、焊接等工艺必须在真空或惰性气体中进行。

2　国外研究现状

2.1研制水平

美国Howmet公司及PCC公司能浇铸出730～770 kg的钛合金工件。PCC公司可生产出直径达2 m的大型钛合金铸件，铸造尺寸公差可达±0.13 mm，最小壁厚达1.0～2.0 mm。美国采用离心浇注、热等静压和BSTOA热处理等综合技术，获得了高性能的Ti-6Al-4V合金大型复杂薄壁精铸件，其静力及疲劳性能达到了与锻件相同的高水平。但大型复杂薄壁钛合金铸件的精密铸造技术一直被西方少数发达国家垄断，所以具体技术细节只能依靠我国自己研究、摸索、开发。

2.2壳型材料研究

美国 PCC公司是世界上最早用氧化物陶瓷熔模铸型生产钛合金铸件的企业，所用的面层耐火材料为氧化钍(ThO2)。氧化钍耐火度高、强度好，对液钛稳定性好，但由于它具有放射性，目前已基本被淘汰。当前，研究较多的氧化物陶瓷材料为ZrO2、Al2O3、Gd2O3、La2O3、Nb2O3、Y2O3、CaO。

2.3计算机模拟和仿真软件开发

近年来，铸造过程的充型和凝固计算机模拟取得了长足进步，出现了许多用于分析铸造过程充型和凝固行为的商业软件，如Magma soft、ProCast、AnycastingTM等。Magma soft是德国Magma开发的一款铸造仿真软件，可对铸型的充填、凝固、机械性能、残余应力及扭曲变形等进行模拟，为全面优化铸造工艺提供了可靠保证。ProCast是法国ESI公司开发的铸造过程的模拟软件，已有20多年的历史，提供了很多模块和工程工具，满足了铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析，它能够预测铸件严重的畸变和残余应力，并能用于半固态成形、吹芯工艺、离心铸造、消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。AnyCastingTM是韩国AnyCasting公司自主研发的新一代基于Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统，是专门针对各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟分析。AnyCastingTM软件于1990年开始商业化，可应用于钛合金熔模精密铸造。

2.4熔炼技术的进步

随着科技的发展及生产的需要，研究人员相继研究开发了钛合金熔炼的新方法、新装备。其中，主要设备有真空自耗凝壳炉、电子束凝壳炉、等离子弧凝壳炉、真空感应炉等，并已获得一定程度的应用。从耗电量、熔化速度、成本等技术、经济指标对比来看，真空自耗凝壳熔炼仍是目前最经济适用的熔炼方法。这种凝壳炉是在真空自耗电弧炉基础上发展起来的，它是一种将熔炼与离心浇注连成一体的铸造异形件的炉型，其最大特点是在水冷坩埚与金属熔体之间存在一层钛合金固体薄壳，即凝壳，这层钛材质的凝壳作为坩埚的内衬，用于形成熔池储存钛液，避免了坩埚对钛合金液的污染。浇注后，留在坩埚内的凝壳可作为坩埚内衬继续使用[3]。

3　国内研究现状

我国从20世纪60年代初开始研究和发展钛合金铸造技术，最早开展这项研究工作的是北京航空材料研究院。随后宝鸡有色金属加工厂、沈阳铸造研究所、洛阳船舶材料研究所等相继开展了这方面的研究。50多年来,我国在铸造钛合金、钛合金熔炼与设备及工艺、钛合金铸造工艺、铸件的性能与应用等方面作了大量的研究工作，取得了很大进展。我国已经研究和推广应用了ZTC4、ZTA7和ZTA15等航空航天工业用铸造钛合金，目前ZTC4、ZTA15在国内武器装备上的应用已占铸造钛合金用量的80%以上。但国内总体缺乏系统性研究，基础数据不足，尚未建立标准规范，技术成熟度低，工程化应用水平低，与欧美发达国家相比还存在一定差距。

3.1铸型

钛合金熔模铸造开始采用氧化物陶瓷铸型、石墨铸型、难熔金属铸型等，由于采用其他铸型(石墨铸型、难熔金属铸型)存在工艺技术复杂，面层耐火材料成本较高等问题，已经很少应用。目前主要采用陶瓷型熔模铸造钛合金。该方法所用面层耐火材料主要是氧化锆等金属氧化物。粘接剂主要是醋酸锆、钇溶胶、硅溶胶等。背层耐火材料、粘接剂与高温合金熔模铸造类似。铸型的高温焙烧是关键工艺，只有通过高温焙烧后，铸型面层才具备高化学惰性和高强度。

陶瓷型熔模铸造技术适合于批量精密成形钛合金产品。铸件最小壁厚能达到1 mm左右，最大尺寸1 000 mm左右，金相组织介于机加工石墨型铸造和砂型铸造之间，表面化学反应层薄，粗糙度在3.2～6.3 μm之间，尺寸精度高，可达CT7级左右。主要用于航空航天、汽车、船舶、兵器等。

需要解决的主要问题是：如何减少工序，缩短制造周期；如何降低成本；如何提高控形及控性的水平，进一步减少机加量；如何提高航空航天用铸件的可靠性和使用寿命。

3.2浇注技术

目前，国内钛合金铸造的浇注成形工艺主要有重力浇注(静止浇注)和离心浇注两种。

重力浇注工艺依靠浇注系统高度形成的静压头作用，利用金属液在重力作用下形成的流动速度，充填铸型，冷却凝固成形。由于金属液充型作用力只是重力，因此，铸型在铸造炉内的安装和拆卸简单，金属液的充型更平稳，能够实现顺序凝固，对铸型冲击小，铸型强度不需要太高；但是由于金属液速度不可能太快，充型能力不好，对于大型复杂薄壁件成形困难。必须采用铸型预热、提高静压头、多开设浇口、提高金属液过热度等方法，来提高重力浇注的充型性。适合于较大壁厚的大中型环形和框架结构件铸造成形，应用广泛。

离心浇注工艺在浇注系统高度形成的重力静压头作用之外，主要利用将铸型固定在铸造炉内的离心盘上，使离心盘转动带动铸型转动，金属液在离心力作用下高速流动，快速充填铸型，冷却凝固成形。由于金属液充型作用力是离心力和重力的耦合，因此，金属液的充型速度远快于重力浇注，充型快速，充型能力好，适合于大型复杂薄壁件成形；但是由于金属液充型速度太快，充型不平稳，不易实现顺序凝固，对铸型冲击大，铸型强度要求高，铸型容易产生跑火故障，且铸型在铸造炉内的安装和拆卸复杂。适合于小型件的一炉多件的成形，也适合于大中型环形或对称型薄壁结构件铸造成形，应用也很广泛。

3.3真空自耗电弧凝壳铸造技术

真空自耗电弧凝壳铸造技术是在真空或惰性气体保护下，以钛合金铸锭为负极，以水冷铜坩埚为正极，通过起弧产生的热量，熔化钛合金铸锭，使金属液进入坩埚中。图2为真空自耗电弧凝壳铸造设备示意图及设备实物图。

图2　真空电弧自耗电极凝壳铸造设备示意图及实物图Fig.2　Consumable electrode vacuum arc skull casting map and the physical map of equipment

在电弧的作用下，合金熔体产生搅拌效应，熔体的成分更均匀、温度差别减小。合金熔化完成后，坩埚翻转，将金属液倒入坩埚下方的铸型中，采用重力浇注或者离心浇注实现铸件成形。目前该技术在国内广泛应用，技术最成熟，适合于大中小型钛合金铸件成形。

（1）PM2.5检测 PM2.5检测使用DSL-03激光数字式PM2.5传感器，内置激光器和光电接收组件，运用光的散射原理，激光在颗粒物上产生散射光，由光电接收器件转变为电信号，再通过特定算法计算出PM2.5质量浓度、PM10质量浓度、PM0.3～PM2.5粒子个数、PM2.5～PM10粒子个数。通过检测可判断该区域是否适合出行活动以及发出相应预警。该传感器具有体积小巧、安装方便、检测速度快、检测数值稳定准确、抗干扰能力强等优点。

3.4热等静压技术

钛合金铸件之所以能够在航空航天飞行器上广泛应用，得益于热等静压技术的发展。由于铸造是一个液态金属充型、冷却凝固成形的过程，在液态金属冷却过程中，液相向固相转变产生收缩，会导致铸件内部特有的冶金缺陷，如缩松、缩孔、气孔等，这些缺陷的存在降低了铸件使用的可靠性和寿命，导致一开始航空航天设计人员不敢大量使用钛合金铸件，制约了飞行器性能的改善和发展。随着20世纪80年代热等静压技术的引入，钛合金铸件内部的缩松、缩孔、气孔等封闭性缺陷大大减少，可靠性和使用寿命得以提高，越来越多的飞行器上开始采用钛合金铸件。

热等静压处理是将铸件置入耐高温高压的容器中，通过抽真空，充入惰性气体，加热升温升压到一定温度和压力，保持一定时间。在各向等压的高温、高压气体作用下，铸件内部的封闭性孔洞缺陷被压实闭合。目前热等静压已经是航空航天飞行器用钛合金铸件必须经历的一道工序。图3为我国生产的大型热等静压设备。

图3　国产大型热等静压设备Fig.3　Domestic large-scale hot isostatic pressing equipment

钛合金铸件热等静压过程中需要注意的问题是：①要严格控制温度、压力以及保持时间，确保缺陷消除；②关注铸件的组织长大和相变问题，防止组织变化导致性能下降；③关注铸件变形的控制。

3.5计算机数值模拟技术

目前，我国的钛合金铸造也已经引入了铸造过程的数值模拟技术，实现了铸件结构三维设计和铸件模具的三维设计。在此基础上，对钛合金铸造的液态充型和凝固过程进行数值模拟，可以预测铸件的缩孔、缩松、气孔等缺陷分布位置，进而优化浇注系统设计；同时，利用应力模拟数值技术，可以预测铸件变形位置，优化铸件防变形工艺。未来，钛合金铸造成形技术将引入对其制造全流程进行模拟仿真，从而实现从合金制备到铸件成形的全过程的组织、性能、成形的模拟仿真，最终使钛合金铸造从经验预测、多次物理实验迭代、长周期、不准确的设计制造，跃升到模拟计算预测、少量物理实验验证、短周期、准确设计制造。

计算机数值模拟技术已在熔模铸造工艺研究和优化中得到普遍应用。清华大学除了开发出通用的模拟软件外，还特别针对航空发动机和重型燃气轮机叶片、高温合金机匣、TiAl 合金涡轮叶片等高端铸件进行模拟计算，辅助工艺优化。哈尔滨工业大学结合钛合金熔模铸造工艺研究，实现了钛合金充型和凝固过程的计算机模拟。华中科技大学开发的华铸CAE系统也成功应用于熔模铸造过程模拟中。北京航空航天大学的韩昌仁等[4]建立了模料的粘度模型和模料充型的控制模型，模拟了蜡模的充型过程。图4 是计算机模拟钛合金熔体在铸型中的充型过程。

图4　计算机模拟钛合金熔体在铸型中的充型过程Fig.4　Computer simulation of filling process of titanium alloy melt in the mold

3.6检测技术

大型复杂钛合金铸件往往结构复杂，空间尺寸多，有的零件有上千个尺寸要求，传统的划线检验很难检测。在大型复杂钛合金铸件尺寸检验上，国外常采用三坐标测量机，它是一种集光、机和电为一体的精密光学仪器。通过触头与铸件的接触，可获得铸件上各点的坐标位置，根据这些点的坐标值，经过计算得到被测物体的几何尺寸。三坐标测量的优点是精度高，可以测量复杂空间尺寸，但缺点是速度慢、成本高。近年来，关节臂三维扫描技术开始应用于钛合金铸件尺寸测量，极大地促进了大型复杂铸件的尺寸检测能力提升，通过关节臂三维扫描，逆向形成铸件实体三维模型，通过与设计三维模型进行最佳拟合比对，了解铸件的尺寸。与三坐标相比，关节臂扫描速度快，整体复制能力强，结果更直观，缺点是较深的内腔结构无法扫描。所以现在通常的方法是多种测量技术结合检测。

目前，钛合金铸件的射线探伤检测主要分为常规射线检测技术和数字射线检测技术。常规射线检测技术主要是指采用胶片完成的射线检测技术，其对钛合金铸件尤其是大型复杂钛合金铸件检测技术主要是正确划分透照区域、正确确定射线检测技术级别、正确确定透照电压、选取适宜的胶片等，同时考虑到大型薄壁复杂整体精铸件的结构特点，必须考虑多壁透照、双(多)胶片检测技术、适当的散射线防护措施以及采取专用的检测工装。数字射线检测技术从20世纪80年代中后期开始逐渐进入工业应用领域，分为三个部分：直接射线照相检测技术、间接数字化射线检测技术、后数字化射线检测技术。

钛合金铸件的渗透探伤通常采用中高灵敏度的荧光渗透剂，这种方法对零件表面预处理要求高，否则容易产生伪显示或缺陷漏检。随着钛合金铸件向大型化、结构复杂化发展，对渗透探伤的配套设备也提出了更高的要求，如检测设备的大型化、静电喷涂设备及荧光内窥镜的应用等。

4　发展趋势

目前随着先进的微观组织控制技术、熔体温度处理技术、定向凝固技术、细晶铸造技术、热处理技术、计算机模拟技术的不断涌现及持续发展，推动着大型复杂薄壁钛合金熔模铸件制造工艺的改进，使其朝着过程可控，事先设计规划、模拟试验、产生方案，事中控制修正、减少废品率的方向发展进步。具体有下列几个研究方向。

(1)加强熔模铸造工艺的理论研究。熔模铸造工艺从蜡模的制备、型壳的制作和焙烧到熔炼浇注铸件是个环环相扣的“精密链条”，任何一个环节出现问题都会导致铸造失败。而熔模铸造的每一个环节本身都是个复杂的加工过程。 因此，深入研究并掌握工艺现象发生的本质原因，是对工艺结果进行掌控的重要基础[4]。

(2)深化钛合金设计方面研究,探索性能更高的适用于制造大型复杂薄壁铸造件的钛合金[5]。

(3)深入研究纯净化技术，以及夹杂和铸造缺陷与性能之间的定量关系。

(4)建立型壳模型库。积极开展电子信息技术与钛合金铸造技术相结合的创新。通过进一步研究型壳材料的制备工艺，完善材料组分、制备方法，通过计算模拟掌握规律，建立型壳模型库。在浇冒阶段积极吸收国外成熟软件技术并结合国内生产的实际经验建立信息库，首先选择几种有针对性的类型，建立起比较成熟的浇冒模型，并通过反复试验确定成品率高的解决方案，再在实际工作中不断加以修正，适应千差万别的客户需求。

(5)研发机器自动涂浸浆料与撒砂工艺。目前，由于大量使用人工操作，产品质量无法保证，因此研究设备自动化是一个发展方向，也是提高成品率与经济效益的必然选择。

(6)加强全过程的质量管理与控制。实现全过程质量可控，不断采用检测设备对浇冒前后的工序进行检测，保证包括蜡模、型壳、浇冒、去壳等全过程质量的标准化，不把带有瑕疵的产品流到下一道工序，减少后续修补工作量并减少不必要的浪费，提高产品的成品率，增强国产产品的市场竞争力，创造更好的经济与社会效益。

(7)高度关注3D打印技术在钛合金制造领域的发展及其在钛合金熔模铸造领域的应用。增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，也称“快速原形制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing )”技术，始于20世纪90年代，目前已经可以制作复杂的三维结构，但往往限于非金属材料成形，直接制造金属零件尚有困难，而在熔模铸造的蜡模制造中，设计和制造模具的时间和成本投入较大，两者的结合成为业界的一个热点。快速原形技术可用来首先获得一个零件的高分子材料模形，再利用翻制硅橡胶模等手段，制作压制蜡模的模具，也有直接制造蜡模等技术路线[4]。目前，中国航天科工集团公司已经大量开展了喷粉激光熔覆成形(LSF)、激光熔覆连接组合制造、铺粉电子束成形(EMB)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成形(FDM)等 3D 打印技术的研究和应用工作。其中，LSF 达到了国内先进水平，涉及的主要材料包括钛合金、高温合金、铝合金、硬质合金以及碳纤维复合材料、聚醚醚酮、尼龙等非金属材料[6]。当前，3D 打印虽然在制造少量产品时优势明显，但由于设备成本较高，制造的产品强度与性能还有待进一步提升等原因，限制了这一技术的大规模应用。然而3D打印技术在钛合金的制造领域却发展迅猛，随着技术更加成熟、工艺设备价格下降，该项技术的应用前景将不可估量。

[1]石卫民,王青江,刘建荣，等.Ti60高温钛合金环材组织与性能的研究[J].钛工业进展,2010,27(1):32-35.

[2]李婷.钛合金熔模铸造用氧化物陶瓷型壳的制备工艺研究[D].南京： 南京航空航天大学,2013.

[3]李毅.大型复杂薄壁Ti-6Al-4V合金熔模精密铸造工艺研究[J].钛工业进展,2012,29(3):22-25.

[4]吕志刚.我国熔模精铸的历史回顾与发展展望[J].铸造，2012(4)：347-356.

[5]戚运莲,曾立英,侯智敏.硼对TC4/B钛合金铸造组织与性能的影响[J].钛工业进展,2012,29(6):15-18.

[6]刘思燕,胡志坚,魏翔飞.3D打印:如何推动航天制造转型升级——中国航天科工集团公司 3D 打印技术现状与发展趋势调查[N].中国航天报，2014-01-02(3).

Research Progress of Precision Casting of Large Complex Thin-walled Titanium Alloy

Zhao Ruibin

(Beijing Baimtec Material Co.,Ltd.，Beijing 100095,China)

Large complex thin-walled titanium alloy precision casting is the most advanced technologies in the world of military and civil aviation field.This paper introduces its process flow,technical features and the domestic and international research frontier achievements.Combined with the most popular international computer numerical simulation and 3D print and other new technology,summarizes the research trend and development direction of this technology in China:theory research strengthen of the investment casting process,research of titanium alloy design and exploration of large thin wall complex higher performance of casting titanium alloy,construction of model library,development of automatic coating machine slurry and sanding process,better quality management and control of the whole process, more emphasis on application of 3D printing technology in the fields of the manufacture and investment casting process of titanium alloy.

titanium alloy;large thin-walled component；precision casting technology；investment casting

2015-01-12

赵瑞斌(1974—),男，工程师。