钛合金熔模铸造技术_阎峰云

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能好等优点，已成为一种优良的航空航天结构材料。近来年随着国内外航天事业的飞速发展，钛合金成形技术已经成为人们研究的热点。熔模铸造是钛合金最成功、也是应用最广泛的近净形成形技术，它具有铸件的表面粗糙度好、尺寸精度高等优点，可显著提高原材料的利用率（可达75%~90%）。特别是1970年代末以来，热等静压技术（HIP ）广泛应用于钛合金铸件，使得某些铸造缺陷得以消除，钛合金铸件的力学性能及其稳定性得到了明显改善，促使钛合金铸件在航空航天工业中取得了广泛的应用。

钛及钛合金具有很高的化学活性，在高温下，钛会与各种气体及常用的耐火材料发生反应，从而使得熔体质量下降，因此在钛合金熔模铸造过程中（见图1）型壳材料的选择和熔炼工艺是钛合金铸造技术

的关键。

迄今为止，世界上只有少数国家掌握某些钛合金铸造技术[1-4]。本文综述了国内外钛合金熔模铸造技术的研究现状，为今后钛合金铸造技术的研究与发展提供相应的依据。

1造型材料1.1粘结剂

粘结剂是钛合金熔模铸造中型壳的重要原材料，它直接影响型壳、铸件质量，生产周期和成本。在铸型焙烧后，粘结剂所生成的产物，对熔融钛应具有较高的稳定性。水玻璃、硅酸乙酯等铸造常用粘结剂，只能用作钛合金铸造型壳的背层材料，对于面层，需要的是能够在煅烧后，生成比SiO 2更稳定氧化物（如Al 2O 3，ZrO 2，CaO 和Y 2O 3等）的粘结剂。

保证型壳面层的惰性是选择面层粘结剂的主要

原则[5]，通常铸钛用的粘结剂可分为碳质粘结剂和氧化物粘结剂。目前国内外铸钛生产中使用的碳质粘结剂主要是合成树脂和合脂，此外还有糊精、淀粉、

图1

熔模铸造工艺流程

蜡模制作与组装耐火材料涂层

脱蜡及铸型检查浇注

检测脱模

成品

真空熔炼

热等静压无损检测

热处理

尺寸检查

焊接修补

喷丸处理、化学腐蚀钛合金熔模铸造技术

The Investment Casting of Titanium Alloy

阎峰云1，2陈基东1，2马孝斌1，

2

（1.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050

2.兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室，兰州730050）

摘要：钛合金是一种昂贵的航空航天材料，熔模铸造技术具有铸件尺寸精度高、表面粗糙度好、提高原材

料的利用率等优点，已成为钛合金铸造中最为常用的一种铸造方法。本文针对钛合金熔模铸造技术，概述了造型材料、真空熔炼和铸件后期处理的工艺方法以及研究进展，并指出了钛合金铸造的发展趋势。

关键词：钛合金，熔模铸造，造型材料，真空熔炼中图分类号：TG249．5;文献标识码：A ；文章编号：1006－9658（2009）02－5Abstract:The Titanium alloy investment casting including technologies and progress in research on

molding materials ，

vacuum melting and the treatment of castings have been summarized with the developing tendency of Ti alloy foundry pointed out.

Keywords:Titanium alloy ，investment casting ，molding materical ，vacuum melting 收稿日期：2008－11－28文章编号：2008－150

作者简介：阎峰云（1962－），男，教授，主要从事半固态成形技术的

研究

沥青和胶体石墨等。氧化物粘结剂主要有二醋酸锆、硝酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶等，其中二醋酸锆[6]是钛合

金精铸型壳工艺中重要的金属有机化合物粘结剂，广泛应用于面层涂料工艺。不论是难熔金属面层工艺，还是惰性氧化物面层工艺，都可以用它作主要粘结剂。二醋酸锆价格比较昂贵，因此价格低廉的硅溶胶通过技术改进后也被应用于实际生产[7-8]。

从实际制得的铸件质量来看，国内北京航空材料研究所研制的Gu-1、Gu-3型粘结剂[9]，哈尔滨工业大学研制的LJ-8型粘结剂[10]均可制备出表面质量良好的薄壁钛合金铸件。目前所用的大多数粘结剂还不能完全适合钛合金铸造，它们的焙烧产物大多与耐火材料的成分相同，与钛的反应依然存在。粘结剂的研制始终滞后于耐火材料的研制，因此，同开发新型耐火材料一样，粘结剂也需进一步的开发。1.2

耐火材料

金属与铸型界面相互作用是影响铸件质量的首要因素。熔融的钛合金具有很高的化学活性，几乎可

以与所有的耐火材料反应，在铸件表面形成污染层，恶化铸件的内在和外观质量。此外，钛铸件的其他几种主要缺陷也都和熔融钛与铸型的相互作用有关。因此，面层耐火材料的选择非常关键。目前所使用的面层耐火材料大体可分为以下四大类：碳质耐火材料、氧化物陶瓷材料、金属材料及其它材料[11]。1.2.1碳质耐火材料

用于钛合金铸造的碳质耐火材料主要是指人造石墨[12]，其性能在很大程度上取决于原材料和制备工艺。人造石墨是以石油焦、炭墨、沥青焦为主要原料，在2600~3000℃高温下煅烧而成的。人造石墨在真空下耐火度高，热膨胀系数小，强度随温度升高而有所提高，对熔融钛合金有一定的惰性，石墨与液钛在较低温度下反应很弱，只在铸件表面发生轻微的渗碳现象，形成渗碳层。但是人造石墨作为耐火材料存在一定的缺点，易氧化，必须工作于真空、还原性气体气氛或惰性气体气氛下；吸咐气体能力强，石墨砂吸附气体的能力是同牌号石墨块的10倍；热导率高，仅次于铝、铜，易使铸件表面出现微裂纹。

美国的Howmet 公司首先对熔模石墨型壳进行了研究，该公司的Lirones [13-17]先后发表了一系列专利，在专利中详尽介绍了石墨熔模型壳的工艺和使用。

1.2.2氧化物陶瓷材料

目前，国际上主要使用惰性氧化物作为面层型壳材料[18]。各种氧化物材料按其对熔融钛合金的化学稳定性由低到高排列的顺序如下：SiO 2、MgO 、

Al 2O 3、CaO 、ZrO 2、Y 2O 3、ThO 2。现在，用作熔模铸造型壳面层和邻面层的材料主要是ZrO 2、Y 2O 3、CaO ，ThO 2由于具有放射性已基本不用。

未经稳定化处理的ZrO 2不能用作铸钛的造型材料，因为在高温环境中ZrO 2会发生同素异形体转变，使型壳发生开裂。为了解决这个问题，通常采取

向ZrO 2中加入4%~8%的CaO ，

经高温电熔或煅烧后就可以得到稳定的ZrO 2固溶体，工业上大多采用电熔ZrO 2。

Y 2O 3同ZrO 2一样，必须经过高温稳定化处理后才能用作钛合金造型材料。Y 2O 3陶瓷型壳具有热导率低、强度高等优点，成为近年来国内外研究的热点。Richerson [19]已成功研究以Y 2O 3为主，混以少量稀有重金属氧化物制成陶瓷坩锅和铸型。戴介泉等人还开发了一种名为HREMO 的新型耐火材料[20]，是一种含Y 2O 360%以上的混合重稀土氧化物，主要成分还包括Nd 2O 3、Sm 2O 3、Gd 2O 3等，该材料较纯Y 2O 3廉价了许多，是一种较为理想的铸钛耐火材料。CaO 具有价格低廉和与熔融钛化学稳定性好的特点一直倍受青睐，可是其工艺性不好，容易吸潮，阻碍了它的应用。用CaCO 3作为铸型材料，铸型经1000℃焙烧后，使CaCO 3转化为CaO ，并在700~800℃下浇注钛合金，可以有效地避免CaO 的吸潮。无论是CaO 或碳酸钙用作铸型材料，都要经过预先的除杂处理。

Richerson [21]的研究以Y 2O 3为主，混以少量稀有重金属氧化物制成陶瓷坩锅和铸型。这种方法比较成功，但是存在着工艺反复、成分复杂、高费用的缺点。

LaSalle [22]介绍了采用碳酸钙预制涂料浆制备氧化钙面层涂料，LaSalle 已使用这种型壳浇注出涡轮增压器的转子。1.2.3金属材料

在钛合金铸造领域中，金属型也占有一定的地位，用作铸型的金属材料主要有铜、钢、铸铁等，与石墨加工型一起统称为硬模系统。由于存在着工艺上的分型等难点，这种方法很难制造出复杂形状的钛铸件，而大多只在特定的铸件上使用。铸铁型价格便宜，浇注出的钛铸件表面质量良好，但铸铁型在使用中易挠曲变形，甚至破裂，寿命不如钢或铜。若在金属型内喷涂涂料，寿命还可延长，此类铸件的粗糙度稍低于石墨加工型。

另一类金属材料即钨、钼、钽、铌等难熔金属粉，此类材料熔点高，与熔融钛接触时化学稳定性好，常用于钛合金熔模精铸的面层涂料。目前，常用的方法