為滿足航空航天飛行器升級換代對高性能金屬結(jié)構(gòu)件的需求，零部件生產(chǎn)技術(shù)和材料不斷進步革新[1]。鈦合金具備密度低、比強度高、耐腐蝕強和耐高溫性等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，且使用量不斷增長[2-3]。然而，鈦合金零件生產(chǎn)過程中存在切削力大、易磨損等問題，導(dǎo)致加工效率低、成本高[4]，限制了鈦合金零部件在低空飛行器、兵器船舶領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。熔模精密鑄造技術(shù)是解決大尺寸、薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金構(gòu)件一體化成型難題、降低制造成本的有效手段[5]。
熔模精密鑄造技術(shù)從我國傳統(tǒng)的失蠟法發(fā)展而來，從20世紀60年代開始，美國最早開展了鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)開發(fā)和優(yōu)化工作，首先將鈦合金熔模精鑄件應(yīng)用于低承力的非關(guān)鍵靜止結(jié)構(gòu)件上，如發(fā)動機罩、隔板、油路導(dǎo)管等；隨著精密鑄造技術(shù)的不斷進步，鈦合金精鑄件性能不斷提高，逐步應(yīng)用于發(fā)動機機匣等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，當前航空航天工業(yè)中90%以上的鈦合金鑄件生產(chǎn)均采用熔模精密鑄造技術(shù)。
在鈦合金熔模精密鑄件質(zhì)量控制中，主要難點在于形狀尺寸和缺陷控制，鈦金屬在高溫下化學(xué)活性極高，容易與坩堝、型殼發(fā)生反應(yīng)，大量放氣或欠鑄，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。鑄件形狀和尺寸控制涉及到蠟?zāi)Ｗ冃巍⑿蜌ぷ冃纹屏选㈣T件凝固變形、熱處理/熱等靜壓變形、焊接變形等，鑄件缺陷控制涉及到材料特性、澆注系統(tǒng)設(shè)計、模殼材料及工藝、澆注工藝和后處理工藝等。在高性能鈦合金材料開發(fā)方面，主要難點在于如何同時兼顧合金的高鑄造性能和高使用性能。
隨著航空發(fā)動機壓氣機使用溫度升高，ZTC4鈦合金已無法滿足航空航天零部件日益提高的耐高溫力學(xué)性能需求，因此需要開發(fā)550~650℃高溫鑄造鈦合金，同時解決合金焊接開裂的工藝難題，提高熱強性和熱穩(wěn)定性[6]。鈦合金的鑄造性能和力學(xué)性能很大程度上受合金成分影響，通過成分優(yōu)化可實現(xiàn)高鑄造性能和高力學(xué)性能的鈦基合金材料，從而滿足精密鑄件需求[7]。
目前，航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件逐漸向大型化、整體化、薄壁化發(fā)展，我國已突破航空發(fā)動機中介機匣、圓轉(zhuǎn)方機匣、油箱骨架等鈦合金精密鑄件，具備生產(chǎn)Φ1500mm以上大尺寸、薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金精鑄件的能力，隨著冶金質(zhì)量和尺寸控制能力提升，未來鈦合金精密鑄件應(yīng)用前景廣闊。但是，我國的鈦合金精密鑄造技術(shù)起步較晚，與美英等西方國家航空航天業(yè)幾十年來積累的先進技術(shù)相比，在生產(chǎn)能力、成本控制和交付周期等方面均有很大差距，這也導(dǎo)致我國鈦合金精密鑄件在國際航空航天供應(yīng)鏈中占比較小，鈦合金精密鑄件市場被美國PCC等企業(yè)長期壟斷。
航空航天是精密鑄造最核心的市場，占據(jù)了約39%的市場份額，拉動了50%的增量需求，未來的市場競爭也將更加激烈。
當前，我國航空航天產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，國產(chǎn)化在近年錯綜復(fù)雜的國際局勢下加速推進，預(yù)計未來國內(nèi)航空航天產(chǎn)業(yè)精密鑄造市場總需求量將突破千億，其中鈦合金精密鑄造市場將超過100億元，而目前國內(nèi)各家鈦合金精密鑄件產(chǎn)值不超過25億元，未來我國鈦合金精密鑄造還有很大的發(fā)展空間。本文綜述了近年來鈦合金精密鑄造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外鈦合金精密鑄造工藝發(fā)展、材料開發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用，總結(jié)了目前存在的問題并提出了展望，本文可為提高國產(chǎn)鈦合金精密鑄件質(zhì)量和市場競爭力提供一定的指導(dǎo)。
1、鈦合金精密鑄造工藝發(fā)展
近年來，隨鑄件質(zhì)量需求提高和精密鑄造設(shè)備升級，鈦合金精密鑄造已向結(jié)構(gòu)一體化、成形精確化與過程控制智能化發(fā)展。如圖1所示[8]，鈦合金熔模精鑄件的生產(chǎn)流程主要有蠟?zāi)Ｖ谱?模殼制作-熔煉澆注-后處理。首先，將計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計的鑄件模型用模具（或增材制造設(shè)備）制作出蠟?zāi)＃谄浔砻姘鄬幽突鸩牧闲纬赡ぃ訜崮な瓜炄诨鞒觯蝗缓螅ㄟ^高溫使模殼燒結(jié)陶瓷化后，將熔化的鈦合金液體澆注到模殼內(nèi)，待金屬液凝固并冷卻后破壞模殼，取出鑄件及澆注系統(tǒng)；最后，對鑄件及澆注系統(tǒng)進行切割澆冒系統(tǒng)、吹砂打磨、檢測、酸洗、修補等后處理工藝后，獲得最終鑄件產(chǎn)品。對于大型復(fù)雜異構(gòu)件的熔模精密鑄造技術(shù)研發(fā)，工藝流程則更為復(fù)雜，對前期澆注系統(tǒng)及鑄造工藝設(shè)計、制模設(shè)備、模殼工藝、熔煉設(shè)備的要求也更高。如表1所示，與其他精密成形技術(shù)相比，鈦合金精密鑄造技術(shù)具有短流程、低成本、高精度、一體化的特點。
1.1制模工藝發(fā)展
制模工序作為精密鑄造最前端的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，蠟?zāi)Ｙ|(zhì)量對后續(xù)工藝流程和最終鑄件質(zhì)量有根本性的影響。蠟?zāi)３叽绯顚﹁T件尺寸超差的影響顯著，壓型-蠟料、蠟?zāi)?陶瓷鑄 型、陶瓷鑄型-合金三類變形系統(tǒng)的尺寸變化規(guī)律如圖2所示[9]。隨著石油化工、數(shù)控技術(shù)和計算機輔助設(shè)計的發(fā)展，蠟?zāi)２牧霞捌淠Ｐ蜕a(chǎn)工藝在近年來不斷改進創(chuàng)新。在蠟?zāi)Ａ戏矫婺壳爸饕邢災(zāi)Ａ鲜炏岛蜆渲祪煞N，為提升其環(huán)境抗力、強度和尺寸精度等性能，需要加入一些添加劑形成混合物。在模型生產(chǎn)工藝方面，為提升產(chǎn)品研發(fā)效率，蠟?zāi)Ｉa(chǎn)已從傳統(tǒng)的沖壓成型發(fā)展到3D打印與模具沖壓成型相結(jié)合。
許多學(xué)者對蠟?zāi)Ａ吓浞竭M行了研究，改良蠟?zāi)Ａ系男阅堋Ｓ葧车萚10]研究了不同添加劑改性松香和PE1000對石蠟-硬脂酸二元蠟?zāi)Ａ闲阅艿挠绊懀S改性松香含量上升，固態(tài)蠟 料抗彎強度及熔點下降，石蠟-硬脂酸中改性松香和聚乙烯質(zhì)量分數(shù)都為5%時，獲得綜合性能最佳，抗彎強度、針入度、體系均質(zhì)性、軟化溫度區(qū)間得到極大改善。程姣姣[11] 研究了光敏樹脂、聚苯乙烯及蠟類熔模粗糙度、變形度和水性涂料的涂覆性能，發(fā)現(xiàn)光敏樹脂模蠟?zāi)１砻娲植诙茸钚 ⒊叽缱冃味纫沧钚。痪郾揭蚁┠１砻鏉櫇裥Ч顑?yōu)，光敏樹脂模最差，光敏樹脂經(jīng)表面活化處理后可達到30~45mg/cm2涂層厚度。
目前，制蠟?zāi)＜夹g(shù)已從模具沖壓成型轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾闹圃炫c模具沖壓成型相結(jié)合的局面。傳統(tǒng)的制蠟?zāi)７椒ㄊ菍⑷廴谙灹献⑷虢饘倌＞咧谐尚危@需要定制金屬模具，單一產(chǎn)品對應(yīng) 專門模具，模具生產(chǎn)周期長、適應(yīng)性差、容錯率低、成本高。隨著鑄件產(chǎn)品型號迭代速度加快，開發(fā)金屬模具的模式無法適應(yīng)大量新產(chǎn)品的研發(fā)。
為滿足新鑄件產(chǎn)品的快速開發(fā)需求，近年來興起了快速鑄造技術(shù)，該技術(shù)將快速成形技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相融合。快速成形技術(shù)主要應(yīng)用于蠟?zāi)！⑿托竞湍ぶ苽洌渲校焖俪尚蜗災(zāi)Ｖ饕抢迷霾闹圃旒夹g(shù)使特殊的蠟料相互粘接或直接固化，然后再使用傳統(tǒng)的制殼、澆注和后處理工藝生產(chǎn)出鈦合金精密鑄件[12]。計算機輔助設(shè)計的增材制造技術(shù)極大地縮短了新產(chǎn)品蠟?zāi)ＴO(shè)計、制造周期，從而有效地縮短了新產(chǎn)品交付周期。目前，針對制蠟?zāi)５脑霾闹圃旒夹g(shù)有激光立體光固化（Stereo lithography appearance，SLA）、選區(qū)激光燒結(jié)（Selective laser sintering，SLS）、三維打印（Three dimensional printing，3DP）和分層實體制造（Laminated object manufacturing，LOM）等，圖3 所示為4種常用的蠟?zāi)Ｔ霾闹圃旒夹g(shù)示意圖[13]。如表2所示[14]，不同的增材制造技術(shù)優(yōu)缺點各不相同，實際生產(chǎn)過程中往往會結(jié)合產(chǎn)品需求進行選擇。目前，航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)件研發(fā)已大量采用激光立體光固化和樹脂微滴噴射技術(shù)生產(chǎn)蠟?zāi)＃瑯渲⒌螄娚浼夹g(shù)面層掃描速度較快、精度高，適配中小型鑄件的蠟?zāi)Ｖ苽洌患す饬Ⅲw光固化技術(shù)生產(chǎn)的蠟?zāi)１砻婀鉂嵍雀摺姸雀摺⒅茪るy度低[15]，適配大型鑄件的蠟?zāi)Ｖ苽洹?/p>
1.2制殼工藝發(fā)展
決定熔模鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵在于型殼的制備，面層模殼與金屬液直接接觸，其性能高低決定了鑄件質(zhì)量的好壞。這是因為鈦合金的澆注溫度在1600℃以上，金屬液與模殼溫度差可達1000℃，即使將澆注速度控制得足夠慢，澆注時金屬液仍會對面層型殼產(chǎn)生很大的熱沖擊。然而，模殼總體強度不能過大，一般要求模殼能夠在金屬液凝固過程中逐漸破裂、 潰散，減少對鑄件的約束，降低鑄件內(nèi)應(yīng)力、抑制開裂等問題。此外，若型殼面層粗糙度控制不佳，會傳導(dǎo)至鑄件的表面質(zhì)量，增加后處理工序，嚴重降低生產(chǎn)效率。因此，面層不僅要有良好的抗熱震性防止開裂，同時需要有一定的潰散性，此外還要保證面層粗糙度能夠匹配產(chǎn)品表面粗糙度需求。通過模殼材料配方優(yōu)化及其制殼工藝，開發(fā)可實現(xiàn)高性能模殼制備。
表3所示為不同型殼面層材料的優(yōu)缺點對比[16-22]。目前，鈦合金熔模精鑄件的模殼主要是可溶性金屬氧化物燒結(jié)而成的耐火陶瓷型殼，其中ZrO2和Y2O3應(yīng)用最為廣泛，航空航天熔模精密鑄件生產(chǎn)大多采用這兩種金屬氧化物作為耐火材料。與石墨耐火材料和難熔金屬材料相比，耐火陶瓷型殼的傳熱效率更低，澆注過程中金屬液不易產(chǎn)生激冷效應(yīng)，從而更好地抑制鑄件表面形成微裂紋、冷隔、流痕、裂紋等缺陷。此外，通過模殼控溫冷卻和澆注工藝參數(shù)優(yōu)化，控制鑄件冷卻速率，可以避免開裂問題。通過優(yōu)選耐火陶瓷面層配方和制備工藝，能夠保證鑄件的表面粗糙度和尺寸精度要求。另外，有學(xué)者開展了耐火陶瓷和金屬復(fù)合鑄型研究。
沈陽鑄造研究所陳曉明等[22]采用等離子噴涂法將氧化釔粉末涂覆至模具鋼鑄型表面，制備了陶瓷/金屬復(fù)合鑄型，用于澆注ZTA15合金舵軸鑄件，表面質(zhì)量優(yōu)于同類石墨型鑄 件，鑄件內(nèi)部缺陷、表面質(zhì)量、化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合技術(shù)要求。常化強等[23]對比研究了氧化釔涂覆球墨鑄鐵復(fù)合鑄型和球墨鑄鐵鑄型澆注的ZTC4和ZTA2鑄件，復(fù)合鑄型的鑄件內(nèi)部缺陷好于球墨鑄鐵鑄型，而表面擴散層厚度相當。
1.3熔煉澆注工藝發(fā)展
近幾十年來真空冶煉和澆注設(shè)備迭代升級，鈦合金熔煉澆注工藝也不斷創(chuàng)新，數(shù)字化、自動化和可視化澆注得以實現(xiàn)，鑄件冶金質(zhì)量不斷提升。鈦合金的真空熔煉技術(shù)已發(fā)展完善，目前熔煉和鑄造鈦及鈦合金的設(shè)備主要有真空自耗電極電弧凝殼爐、等離子電弧爐、電子束凝殼爐和感應(yīng)懸浮熔煉爐等，熔煉爐的熔煉方法如圖4所示[24-25]。凝殼爐的基本原理是，在真空環(huán)境中，借助直流電弧的電流把鈦合金自耗電極進行高溫加熱，形成熔池重新熔煉。目前，絕大部分航空航天鈦合金精密鑄件生產(chǎn)均采用真空自耗凝殼爐熔煉澆鑄，凝殼爐與澆注裝置集成，完成母合金重熔后立即開始鑄件澆注。
從20世紀30年代開始，各國開始對真空感應(yīng)水冷銅坩堝凝殼爐、懸浮熔煉爐及其熔鑄工藝進行研究及應(yīng)用。圖5所示為幾種典型的大型鈦合金真空熔鑄設(shè)備。水冷銅坩堝 凝殼爐原理為利用電磁感應(yīng)在金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱爐料來進行熔煉，已被證明是一種有發(fā)展前途的鈦合金鑄造熔鑄設(shè)備及工藝。與真空自耗電極電弧凝殼爐相比，其具有原材料 形狀要求低、無需制作電極、合金成分和熔池溫度均勻、高純凈無夾雜、可在熔煉過程中添加合金元素、熔池保溫時間長等優(yōu)點。感應(yīng)懸浮熔煉爐在凝殼爐的基礎(chǔ)上，還增加了磁場對金屬液的強烈攪拌作用，有助于進一步提高爐料的均勻性，近年來隨著高質(zhì)量合金需求不斷增長，感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)應(yīng)用更加廣泛[26]。目前，感應(yīng)懸浮熔煉爐可澆注的金屬量有0.5kg、5kg、20kg和50kg級4種，使用最多的是20kg級感應(yīng)懸浮熔煉爐，可用于小尺寸鈦合金精密鑄件的批量化生產(chǎn)。國內(nèi)中國科學(xué)院金屬研究所、北京航材院、沈陽鑄造所和重慶兩航等單位已具備50kg級大型感應(yīng)懸浮熔煉鑄造能力，可開展最大尺寸為Φ600mm的鈦合金鑄件研發(fā)及批產(chǎn)。
在鑄造工藝方面，重力鑄造和離心鑄造是航空航天領(lǐng)域最常用的鈦合金熔模鑄造技術(shù)，已大量應(yīng)用于制造葉輪、艙體、機匣等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[27-30]。
一般重力鑄造結(jié)構(gòu)件的平均硬度大于離心鑄造，且重力鑄造機匣強度高，本體組織更為細小，但對于低流動性合金和復(fù)雜型腔鑄件的澆注，需要更高的澆注溫度和更大的輔助澆 注系統(tǒng)，容易導(dǎo)致澆注跑火風(fēng)險升高、鑄件表面質(zhì)量下降、晶粒粗大、出品率低。離心鑄造可以提高低流動性鈦合金填充復(fù)雜型腔的能力，實現(xiàn)低過熱溫度澆注，獲得性能優(yōu)異、完整充型的復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件。但是，離心澆注對離心工裝、模殼強度要求較高，還有較大的成分偏析風(fēng)險。目前，采用重力鑄造和離心鑄造的鈦合金鑄件尺寸不斷增大，從最大輪廓尺寸Φ900mm以下的發(fā)動機機匣，發(fā)展到離心鑄造生產(chǎn)最大輪廓尺寸1600mm以上、最小壁厚1.5mm以下的鈦合金異形結(jié)構(gòu)件；重力鑄造可生產(chǎn)最大輪廓尺寸2500mm以上的整體鈦合金機匣。
模擬仿真是提升鑄造工藝水平的有效手段。在鈦合金熔模精鑄件產(chǎn)品研發(fā)和改良階段，由于單次熔煉澆注的時間和材料成本高，為獲得最佳工藝參數(shù)、提升澆注成功率，在實際澆注前會利用Procast、MagmaSoft、AnyCasting、華鑄CAE等軟件對澆注過程進行模擬仿真，獲得欠鑄、縮孔、氣孔等缺陷在鑄件中的分布情況。根據(jù)模擬結(jié)果，對澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和熔煉澆注工藝進行優(yōu)化迭代。劉云超等[18]采用模擬仿真軟件優(yōu)化了ZTi60鈦合金大型構(gòu)件熔模精鑄工藝，獲得了完整成形鑄件，無欠注跑火、表面質(zhì)量好、性能滿足要求。賈國成等[29]通過模擬仿真設(shè)計并優(yōu)化了傾斜式離心鑄造工藝，減少了鑄件內(nèi)部的縮孔缺陷和表面流痕缺陷。模擬仿真工藝設(shè)計+實際澆注驗證已成為鈦合金精密鑄造行業(yè)的重要技術(shù)開發(fā)方法，有效降低了大型鈦合金精密鑄件的研發(fā)成本。但是，目前存在鈦合金物性參數(shù)不足、工藝參數(shù)測量難和控制難等問題，國內(nèi)精密鑄造模擬仿真結(jié)果與實際澆注結(jié)果的吻合度不高，尤其是對于采用新型鈦合金的新型鑄件產(chǎn)品，仍主要依靠實際澆注驗證模型設(shè)計和鑄造工藝。
1.4鑄造后處理工藝發(fā)展
（1）熱處理工藝。
雖然采用陶瓷型殼澆注的鈦合金鑄件內(nèi)應(yīng)力較小，但為了提高強度/塑性，保證鑄件安裝和使用時不發(fā)生變形或開裂等問題，往往還需要進行熱處理。與鍛件熱處理類似，固 溶加熱溫度和冷卻速度是影響鈦合金鑄件性能的關(guān)鍵參數(shù)。針對α?+?β型鈦合金鑄件，一般選用兩相區(qū)下部溫度退火，減少鑄件內(nèi)應(yīng)力，可為熱等靜壓和焊接做前處理；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，晶界α粗化，嚴重降低強塑性。ZTC4鈦合金去應(yīng)力退火溫度在500~600℃，退火溫度為700~800℃[31]。一般的鈦合金鑄件不進行固溶時效處理，進行固溶處理的鑄件固溶溫度也在α?+?β兩相區(qū)，固溶處理后的時效溫度一般在500~600℃之間。趙紅霞等[32]對ZTC4合金經(jīng)過固溶時效處理之后，發(fā)現(xiàn)粗大的連續(xù)晶界α可被細化和分割開，片狀α束域能夠得到細化，從而使強度大幅度提高，同時保持較好的塑性。劉小花等[33]對鑄造Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb鈦合金進行固溶時效處理，發(fā)現(xiàn)室溫及高溫強度隨固溶溫度的升高而增加，室溫塑性隨固溶溫度升高而下降。
（2）熱等靜壓工藝（HIP，Hotisostaticpressing）。
由于模殼吸附氣體、合金凝固收縮特性等鑄造固有特性，鑄造過程中的熔煉澆注階段往往會在鑄件內(nèi)部引入氣孔、縮孔、縮松等缺陷。這些缺陷肉眼不可見，通過X射線成像后
可被觀察到。熱等靜壓處理時，內(nèi)部孔洞與疏松被擠壓至閉合，合金組織隨之開始演變。熱等靜壓工藝規(guī)范取決于合金在不同溫度下的屈服極限，工藝溫度一般要比相變點低30℃左右，保壓壓力在120MPa左右。以ZTC4合金為例，其規(guī)范的HIP溫度、壓強、保溫保壓時間分別為920℃、110MPa和2h，采用的介質(zhì)通常用純度為99.90%的氬氣。一般熱等靜壓后鑄件強度會出現(xiàn)一定下降，但塑性會得到較大改善[34]。圖6所示為典型的熱等靜壓對TC4合金鑄件氣孔及強塑性的影響[35]。
（3）焊接修補工藝。
熱等靜壓可以消除鑄件內(nèi)部缺陷，但是無法消除鑄件表面缺陷，甚至還會將內(nèi)部孔隙轉(zhuǎn)移至鑄件表面。所以，在熱等靜壓處理后，往往需要對鈦鑄件表面和內(nèi)部進行檢測，若表 面存在凹坑缺陷，內(nèi)部存在夾雜等，需要采用焊接進行修補。惰性氣體鎢弧焊是鈦合金焊接常用的工藝，此外還有激光焊接、等離子焊和電子束焊接等工藝也被用于鈦合金精鑄 件的焊接。大部分的鈦合金具有較好的可焊性，焊接修補后的鈦合金鑄件仍具有優(yōu)良的強塑性和疲勞性能。
但是，焊接過程中還需注意焊前準備，保證焊縫質(zhì)量和抑制焊接變形開裂。焊縫質(zhì)量主要通過控制保護氣體氛圍和提高焊接區(qū)域表面清潔度實現(xiàn)。典型合金元素對鈦合金焊接 性能的影響如表4所示[36]。焊接過程中熔化的鈦合金可能與鑄件表面或氣體氛圍中的C、O、N、H發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致焊區(qū)脆性增強、韌性下降或開裂等問題。同時，鈦合金自身成分和鑄件結(jié)構(gòu)也會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。高溫鈦合金中添加的Al、Sn、Si等元素在焊接過程中發(fā)生非平衡態(tài)凝固，析出脆性有序相會降低鑄件焊接接頭的塑韌性[37-39]。此外，由于鑄件不同位置結(jié)構(gòu)不同、厚薄不均勻，溫度場變化不均勻時產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致不同位置塑性應(yīng)變不同，從而造成了焊接區(qū)或焊接區(qū)周圍出現(xiàn)裂紋。
2、精密鑄造鈦合金材料發(fā)展
鈦合金精密鑄造技術(shù)的發(fā)展與鑄造鈦合金材料的發(fā)展是相輔相成的。為充分發(fā)揮鈦合金材料的特性，適配合金材料的較差鑄造性能，需要開發(fā)針對性的鑄造技術(shù)并不斷改進。
此外，為降低鑄造難度、控制成本，需要調(diào)整鈦合金成分，在最大程度保證使用性能不下降的前提下，使合金成分更有利于鑄造成形和后處理。在這種螺旋上升的態(tài)勢下，鈦合金精密鑄造技術(shù)和鑄造鈦合金材料都獲得了很大的進步，常規(guī)鑄造鈦合金的鑄造技術(shù)不斷完善，新型、高性能鑄造鈦合金材料也不斷被開發(fā)出來。
2.1常規(guī)鑄造鈦合金
目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的鑄造鈦合金主要是α+β型鈦合金和近α鈦合金，常規(guī)的鑄造鈦合金及其力學(xué)性能見表5。國內(nèi)外應(yīng)用范圍最廣、使用量最大的α+β型鈦合金是 ZTC4，ZTC4與TC4的合金成分基本相同。近α鈦合金中，ZTA15合金的使用量最多，但明顯低于ZTC4鈦合金，ZTA15合金成分與TA15相近，來源于俄羅斯BT20鈦合金。目前，我國研制和生產(chǎn)的航空航天用鈦合金精密鑄件中，ZTC4和ZTA15合金的總使用量超過了80%。
國內(nèi)外科研院所和高校研究團隊開展了大量鑄造鈦合金的成分調(diào)控研究，鈦合金中典型合金元素添加對鑄造性能和使用性能的影響如表6所示[39-45]。在ZTC4研究方面，除主元素Al外，主要針對間隙元素進行調(diào)控，間隙元素C、O、N、H等對ZTC4性能有較大影響，圖7所示為氧、氮、氫三種氣體元素對ZTC4力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)氫0.010%~0.012%、氮0.01%~0.02%、氧0.10%~0.15%（質(zhì)量分數(shù)）有利于同時提高ZTC4鑄件的強塑性[46]。針對高損傷容性需求的鑄件，一般會采用低間隙ZTC4合金（ZTC4ELI）。研究表明，微量Fe（<0.24%）對低間隙TC4具有較好的固溶強化作用，可在斷裂韌性不變的前提下提高抗拉強度[47]。
近幾十年來，為滿足航空發(fā)動機機匣和葉片等鑄件對高溫蠕變及高溫強度等需求，多種鑄造高溫鈦合金被開發(fā)出來。表7所示為典型的高溫高強鈦合金牌號及力學(xué)性能。耐 550℃高溫鈦合金較多，國內(nèi)外合金牌號主要有Ti1100、IMI834、Ti6242、ZTi55和ZTi60等。其中，高溫鈦合金大多是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si體系合金，其中Ti1100、IMI834和ZTi60使用溫度可達600℃。北京鋼研院和西北工業(yè)大學(xué)等開展了ZTi55和ZTi60油箱骨架的熔模鑄造工藝和后處理工藝研究，通過澆注系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)了高速飛行器油箱骨架件的完整充型，并解決了焊接易開裂問題，附鑄試棒和鑄件本體力學(xué)性能滿足指標要求。中國科學(xué)院金屬所在ZTi55和ZTi60合金鑄造工藝及鑄件性能調(diào)控方面進行了系統(tǒng)研究[48]，結(jié)果表明，ZTi55和ZTi60合金的鑄態(tài)組織明顯較Ti-6Al-4V細小，鑄態(tài)β晶粒尺寸與其母合金鍛造后β熱處理組織的晶粒尺寸相當。ZTi55合金的拉伸性 能明顯優(yōu)于ZTC4和ZTA15合金，600℃/400MPa/30min下蠕變殘余變形僅為0.2%；ZTi60合金鑄態(tài)組織塑性較好，但強度偏低。鑄造β鈦合金有Ti153、β-21S、BT35等，雖然使用溫度達不到500℃，但其室溫屈服強度可超過1000MPa，高溫強度和抗蠕變性能也較好[49]。相較于近α鈦合金，近年來鑄造β鈦合金的研究和應(yīng)用極少。鑄造近α高溫鈦合金有輕質(zhì)、耐高溫、高強塑性及低成本優(yōu)勢，在航空航天大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上有廣闊的應(yīng)用前景，是耐高溫鈦基合金的重要發(fā)展方向之一。
2.2耐600℃以上鑄造鈦基合金
隨著航空航天領(lǐng)域?qū)︼w行器飛行速度和距離需求的不斷提高，對零部件耐高溫和輕量化的要求也不斷提升。飛行器超音速飛行使零部件氣動升溫，對耐高溫要求已超過鈦合金熱障溫度600℃，常規(guī)鈦合金無法滿足如此高溫性能要求。當前，絕大部分耐600℃以上高溫零部件一般采用耐熱溫度高于700℃的鎳基高溫合金材料，但其密度達到8.4g/cm3，比鈦合金的密度高86%，但比強度不及鈦合金[50]。近年來，耐600℃以上高溫的近α鈦合金、鈦鋁合金和Ti2AlNb合金取得了長足發(fā)展，新牌號、新成分不斷被開發(fā)出來。表8[51-58]所示為不同高溫鈦基合金的高溫力學(xué)性能。
目前，耐600℃以上鑄造鈦合金較少，目前只有中國科學(xué)院金屬所開發(fā)的耐650℃高溫ZTi65鈦合金。ZTi65合金是從鍛造Ti65合金成分改良而來，與鍛造Ti65合金相比，ZTi65合金的Ta和W含量減半，其他合金元素基本不變，雖然犧牲了一定的高溫強度，但較大地提升了鑄造性能，目前可澆注最大輪廓已超過1200mm的發(fā)動機機匣和油箱骨架等產(chǎn)品。然而，ZTi65合金焊接性能較差，大型薄壁異構(gòu)件的焊接開裂傾向嚴重，焊接工藝不成熟，熱處理和熱等靜壓等后處理工藝還未形成標準化。
TiAl合金密度比常規(guī)鈦合金更小（約4g/cm3），具有優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化性能[59]，可替代鎳基高溫合金在航空發(fā)動機600~1000℃高溫區(qū)服役。但是，鈦鋁合金比一般鈦合金的熱加工難度更大，熱變形開裂傾向大，機械加工更加困難，這些問題使得精密鑄造技術(shù)成為TiAl合金精密成形的更優(yōu)選擇。目前工業(yè)化應(yīng)用中主要是二代TiAl合金，集中于Ti-4822合金（Ti-48Al-2Cr-2Nb）、45XD合金（Ti-45Al-2Mn-2Nb-1B）、RNT650合金、JG1101合金，其中，Ti-4822、45XD合金使用量最大。
Howmet公司和PCC公司采用Ti-4822合金和熔模鑄造工藝生產(chǎn)航空發(fā)動機葉片和機匣類部件[28]。國內(nèi)也具備生產(chǎn)中小尺寸TiAl合金鑄件能力，如中國科學(xué)院金屬所生產(chǎn)的45XD合金低壓渦輪葉片和西北工業(yè)大學(xué)采用熔模鑄造工藝研發(fā)的TNM合金航天飛行器格柵。由于TiAl合金鑄造工藝不成熟，目前尚未見Φ1000mm尺寸TiAl合金精鑄件應(yīng)用的公開報道。
TiAl合金精密鑄件的研制及批量化生產(chǎn)需要解決許多問題。TiAl合金在熔融狀態(tài)下活性高、流動性差、凝固收縮率大、凝固過程易開裂，這些特性為復(fù)雜薄壁構(gòu)件的尺寸精度 控制、表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷控制提出了較大挑戰(zhàn)。有研究表明，對于基礎(chǔ)尺寸為10~80mm的鑄件，Ti-4822合金的自由線收縮率為3.11%~2.09%，是常規(guī)ZTC4合金的2倍左右[60]，收縮率大導(dǎo)致TiAl合金鑄件尺寸難以控制、殘余應(yīng)力大、易開裂報廢。此外，若TiAl合金沿用常規(guī)鈦合金鑄型用硅溶膠作為面層型殼的粘結(jié)劑，澆注過程中熔融TiAl合金容易與面層型殼中的SiO2反應(yīng)[61]，再加上為提高流動性的高型殼預(yù)熱溫度[62]，型殼面層極易剝落。因此，TiAl合金需要采用惰性極佳的釔溶膠作為粘結(jié)劑以及Y2O3作為耐火材料。總之，提升TiAl合金熔模鑄造質(zhì)量需要同時控制好凝固收縮與表面質(zhì)量，優(yōu)選耐火材料、優(yōu)化粘結(jié)劑并定制燒結(jié)工藝，同時提高陶瓷型殼的退讓性，并且降低陶瓷型殼的化學(xué)活性。
Ti2AlNb合金比大多數(shù)TiAl合金高溫強塑性和抗蠕變性能更好，其使用溫度高達800℃，具有很大的替代鑄造鎳基高溫合金的潛力。由于Ti2AlNb合金熔點高、流動性差等 問題，目前僅有少數(shù)科研單位，如北京鋼研院和北京航材院等開展了中小型Ti2AlNb精鑄件產(chǎn)品研發(fā)，尚無Ti2AlNb合金鑄件的工程化應(yīng)用。目前只有Ti2AlNb基合金的鍛件應(yīng)用于一些低風(fēng)險的航空航天部件中，如導(dǎo)彈發(fā)動機噴嘴、導(dǎo)彈軌控發(fā)動機噴管連接件、衛(wèi)星發(fā)動機構(gòu)件、航空發(fā)動機機匣試驗件等。研究發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)鑄造法制備的Ti2AlNb合金鑄件，存在組織粗大、塑性變形能力差，難以進一步機械加工等問題。黃東等[63]對Ti2AlNb合金的鑄造工藝存在縮孔和縮松等缺陷的問題開展了熱等靜壓試驗，有效消除了鑄造缺陷，并提高鑄件致密度，改善鑄件性能。但是，針對Ti2AlNb合金鑄造性能及工藝研究的公開報道鮮見，尚無Ti2AlNb合金大型熔模精鑄件工程化應(yīng)用的實例。
3、鈦合金精鑄件在航空航天飛行器上的應(yīng)用現(xiàn)狀
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鈦合金精鑄件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，尤其是整體精鑄件的使用為飛行器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升、延長機體壽命、整體減重、減少裝配 難度、降低制造成本都做出了重要貢獻。常規(guī)鈦合金精密鑄件在航空飛行器上的應(yīng)用最為突出。1972年起，鑄造鈦合金開始正式應(yīng)用于飛機上，首先被用于受力不大的非關(guān)鍵靜止結(jié)構(gòu)件上，如發(fā)動機罩、隔板、油路導(dǎo)管等。隨著鑄件性能的提升，鈦合金精密鑄件也開始用于一些關(guān)鍵的承力部位，美國PCC、Howmet等公司采用Ti6Al4V鈦合金及精密鑄造技術(shù)生產(chǎn)了CF6-80發(fā)動機安裝吊架精密鑄件、GE90發(fā)動機風(fēng)扇輪轂、F117發(fā)動機燃燒室前部鑄件、波音777發(fā)動機后安裝框架、A380客機剎車扭力管、Bell-BoeingV-22傾轉(zhuǎn)式旋翼機上的轉(zhuǎn)接座、F-22戰(zhàn)斗機機翼上的側(cè)機身接頭垂尾方向舵作動筒支座等。
美國F-22戰(zhàn)斗機上使用的鈦合金鑄件大約有76件左右，包括傾斜隔板、輔助動力裝置入口框、座艙面板、主機翼組件、方向舵鉸鏈副等。我國殲20也大量采用了鈦合金精密鑄件，其中尾翼垂尾即采用鈦合金整體精密鑄件。北京航材院已成為空客CFM56-7發(fā)動機支板的主要供應(yīng)商，并成為LEAP-1A、1B、1C發(fā)動機的鈦合金鑄件供應(yīng)商。鈦合金精密鑄件的大量使用減少了航空發(fā)動機螺栓機械連接的數(shù)量，降低了制造成本和工藝難度，提升了機體壽命。
除了常規(guī)鈦合金精密鑄件外，TiAl合金精密鑄件在航空飛行器上的應(yīng)用也有較大突破。早在20世紀90年代，NASA民用超音速飛機的發(fā)動機排氣噴嘴翼板和支撐梁便采用熔模鑄造TiAl合金打造。1993年，美國Howmet公司首次采用Ti4822合金鑄造出低壓渦輪葉片，并在CF6-80C發(fā)動機試車。2006年，PCC公司通過熔模精密鑄造將Ti4822 應(yīng)用到GE公司最新一代發(fā)動機GEnx低壓渦輪的最后2級葉片上，并陸續(xù)裝配波音787和747-8s客機上，首次實現(xiàn)了TiAl合金在航空發(fā)動機中的規(guī)模化應(yīng)用，使發(fā)動機質(zhì) 量減輕約180kg。中國科學(xué)院金屬所、北京航材院、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了TiAl合金擴壓器、葉片和增壓器渦輪等鑄件[64]。中國科學(xué)院金屬所生產(chǎn)的45XD合金低壓渦輪葉片已完成英國羅·羅公司的TrentXWB大推力、大涵道比發(fā)動機考核驗證，未來還將用于國產(chǎn)大飛機C919的長江發(fā)動機上。沈陽鑄造研究所采用熔模精密鑄造技術(shù)，成功研制出最大尺寸為800mm的薄壁TiAl合金彈翼骨架，大力推動了TiAl合金鑄件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用[65]。
鈦合金在低溫條件下保持了較高的強度、韌性，其耐疲勞、無磁性等特性滿足宇宙空間極端服役環(huán)境要求，因此在航天飛行器上也有較多應(yīng)用。鈦合金鑄件在導(dǎo)彈上使用比較普遍，有尾翼、彈頭殼體、火箭殼體及連接座等。航天飛行器和人造衛(wèi)星使用的鈦合金鑄件主要是一些支座、板架與接頭等結(jié)構(gòu)件和人造衛(wèi)星上照相機框架等。圖8所示為幾種典 型的航空航天飛行器用鈦合金精密鑄件[66]。
4、結(jié)論與展望
本文綜述了近年來鈦合金精密鑄造技術(shù)、材料和產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進展。我國在鑄造鈦合金材料開發(fā)上已走在世界前列，鈦合金精密鑄造技術(shù)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，并大批量應(yīng)用于航空航天飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上；但是我國鈦合金精密鑄造技術(shù)企業(yè)與美國先進精密鑄造企業(yè)相比仍有一定差距，鈦合金精鑄件應(yīng)用方面也存在一些亟待解決的難題。
（1）新型鑄造鈦合金推廣應(yīng)用遲緩。目前航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鑄造鈦合金仍為ZTC4和ZTA15兩種，新型鑄造鈦合金如ZTi65、TiAl合金等的應(yīng)用仍未取得突破性進展。
新型鑄造鈦合金一般從鍛造鈦合金成分改良而來，鍛造工藝性能和力學(xué)性能數(shù)據(jù)無法適用于鑄造，開發(fā)新型鑄造鈦合金精密鑄件的周期長、成本高、應(yīng)用范圍較窄，這些因素都制約了新型鑄造鈦合金的推廣應(yīng)用。
（2）鈦合金精密鑄造生產(chǎn)成本下降難。精密鑄造原材料、技術(shù)和市場共同作用導(dǎo)致成本難以下降，鈦合金型殼材料價格昂貴且為一次性使用，真空熔煉環(huán)節(jié)對設(shè)備要求高，且 生產(chǎn)效率較低，鑄件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜化、多流程工藝控制難，導(dǎo)致鑄件良品率低。企業(yè)獲得國家重大項目訂單存在較高的技術(shù)壁壘和資質(zhì)壁壘，研發(fā)成本居高不下，投入產(chǎn)出回報周 期長。
（3）鈦合金精密鑄造模擬仿真技術(shù)落后。目前鈦合金精密鑄造的模擬仿真技術(shù)還存在國產(chǎn)軟件使用率低，國外模擬仿真軟件壟斷等問題。此外，大量鑄造生產(chǎn)過程參數(shù)無法直接測量，或測量準確性差，模擬仿真工藝參數(shù)與實際生產(chǎn)的工藝參數(shù)不匹配，材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫更新與新材料開發(fā)進展嚴重脫節(jié)，鑄造模擬仿真人才匱乏，仿真軟件使用和二次開發(fā)等進展緩慢。
（4）鈦合金增材制造崛起的強力競爭。與精密鑄造類似，鈦合金增材制造也是近凈成形技術(shù)，而且成形精度高、生產(chǎn)周期短、強度高，目前已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。雖然很長時間內(nèi)受粉體價格高、產(chǎn)能不足等問題所限，增材制造的價格比精密鑄造更高，市場推廣應(yīng)用受阻，但隨粉體價格的不斷下探、設(shè)備供給日益充足，增材制造鈦合金零部件的市場競爭力逐漸顯現(xiàn)。
為解決我國鈦合金精密鑄造發(fā)展中存在的難題，提升鈦合金精密鑄造的應(yīng)用水平，可以從如下幾個方面進行改進。
（1）建立新型鑄造鈦合金成分-鑄造性能-力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫。通過對影響合金流動性的熱物理參數(shù)進行熱力學(xué)計算、數(shù)值模擬試驗，結(jié)合流動性驗證試驗，獲得有利于提高流 動性的成分。通過高通量第一性原理計算，建立合金基本物性及電子特征參量數(shù)據(jù)庫，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，獲得不同力學(xué)性能梯度的合金成分并開展?jié)沧Ⅱ炞C。耦合提 高鑄造性能和力學(xué)性能的影響機制，從成分設(shè)計到試驗驗證，再到綜合優(yōu)化，逐步建立合金成分-鑄造性能-力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫。
（2）利用數(shù)字孿生技術(shù)降低生產(chǎn)成本。對現(xiàn)有設(shè)備進行數(shù)字化改造，量化蠟?zāi)！⒛ず丸T件質(zhì)量，開展工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計、精細化成本計算。在大批量鑄件產(chǎn)品工藝、質(zhì)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ) 上，研究鑄造全流程關(guān)鍵工藝參數(shù)對鑄件表面質(zhì)量、尺寸精度、力學(xué)性能的影響規(guī)律，利用數(shù)字孿生技術(shù)進行關(guān)鍵工藝參數(shù)的智能決策，輔助新產(chǎn)品鑄造工藝開發(fā)，從而縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、降低廢品率，進而降低生產(chǎn)成本。
（3）大力發(fā)展國產(chǎn)鑄造模擬軟件。鑄造模擬軟件是鑄造行業(yè)的底層基礎(chǔ)，目前鑄造模擬軟件被法國Procast、韓國Anycasting等長期壟斷，國產(chǎn)軟件由于數(shù)據(jù)庫不足、功能缺 失、預(yù)測準確度差，市場滲透率較低。我國應(yīng)大力發(fā)展國產(chǎn)鑄造模擬軟件，通過軟件公司-鑄造企業(yè)-高等院校聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)及優(yōu)化核心算法，完善鑄造材料數(shù)據(jù)庫，培養(yǎng)專業(yè)人才隊伍，合力提升國產(chǎn)鑄造模擬軟件的技術(shù)水平。
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通信作者：李金山，教授，博士，主要從事航空航天高性能金屬結(jié)構(gòu)材料及其精確熱成形技術(shù)的研究。
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