為滿足航空航天飛行器升級(jí)換代對(duì)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(jìn)步革新[1]。鈦合金具備密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕強(qiáng)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(zhǎng)[2-3]。然而，鈦合金零件生產(chǎn)過(guò)程中存在切削力大、易磨損等問(wèn)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(guó)傳統(tǒng)的失蠟法發(fā)展而來(lái)，從20世紀(jì)60年代開始，美國(guó)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(dòng)機(jī)罩、隔板、油路導(dǎo)管等；隨著精密鑄造技術(shù)的不斷進(jìn)步，鈦合金精鑄件性能不斷提高，逐步應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，當(dāng)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(diǎn)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(bào)廢。鑄件形狀和尺寸控制涉及到蠟?zāi)Ｗ冃?、型殼變形破裂、鑄件凝固變形、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(jì)、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(diǎn)在于如何同時(shí)兼顧合金的高鑄造性能和高使用性能。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)使用溫度升高，ZTC4鈦合金已無(wú)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(shí)解決合金焊接開裂的工藝難題，提高熱強(qiáng)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(guò)成分優(yōu)化可實(shí)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(guó)已突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣、圓轉(zhuǎn)方機(jī)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(lái)鈦合金精密鑄件應(yīng)用前景廣闊。但是，我國(guó)的鈦合金精密鑄造技術(shù)起步較晚，與美英等西方國(guó)家航空航天業(yè)幾十年來(lái)積累的先進(jìn)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(guó)鈦合金精密鑄件在國(guó)際航空航天供應(yīng)鏈中占比較小，鈦合金精密鑄件市場(chǎng)被美國(guó)PCC等企業(yè)長(zhǎng)期壟斷。

航空航天是精密鑄造最核心的市場(chǎng)，占據(jù)了約39%的市場(chǎng)份額，拉動(dòng)了50%的增量需求，未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也將更加激烈。

當(dāng)前，我國(guó)航空航天產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，國(guó)產(chǎn)化在近年錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際局勢(shì)下加速推進(jìn)，預(yù)計(jì)未來(lái)國(guó)內(nèi)航空航天產(chǎn)業(yè)精密鑄造市場(chǎng)總需求量將突破千億，其中鈦合金精密鑄造市場(chǎng)將超過(guò)100億元，而目前國(guó)內(nèi)各家鈦合金精密鑄件產(chǎn)值不超過(guò)25億元，未來(lái)我國(guó)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(lái)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(guó)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(wèn)題并提出了展望，本文可為提高國(guó)產(chǎn)鈦合金精密鑄件質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)，隨鑄件質(zhì)量需求提高和精密鑄造設(shè)備升級(jí)，鈦合金精密鑄造已向結(jié)構(gòu)一體化、成形精確化與過(guò)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的鑄件模型用模具（或增材制造設(shè)備）制作出蠟?zāi)?，在其表面包裹多層耐火材料形成模殼，加熱模殼使蠟融化流出；然后，通過(guò)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(duì)鑄件及澆注系統(tǒng)進(jìn)行切割澆冒系統(tǒng)、吹砂打磨、檢測(cè)、酸洗、修補(bǔ)等后處理工藝后，獲得最終鑄件產(chǎn)品。對(duì)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(duì)前期澆注系統(tǒng)及鑄造工藝設(shè)計(jì)、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(diǎn)。

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(duì)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?duì)鑄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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，蠟?zāi)２牧霞捌淠Ｐ蜕a(chǎn)工藝在近年來(lái)不斷改進(jìn)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(qiáng)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)Ｉa(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(duì)蠟?zāi)Ａ吓浞竭M(jìn)行了研究，改良蠟?zāi)Ａ系男阅?。尤暢等[10]研究了不同添加劑改性松香和PE1000對(duì)石蠟-硬脂酸二元蠟?zāi)Ａ闲阅艿挠绊?，隨改性松香含量上升，固態(tài)蠟 料抗彎強(qiáng)度及熔點(diǎn)下降，石蠟-硬脂酸中改性松香和聚乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)都為5%時(shí)，獲得綜合性能最佳，抗彎強(qiáng)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?、尺寸變形度也最?。痪郾揭蚁┠１砻鏉?rùn)濕效果最優(yōu)，光敏樹脂模最差，光敏樹脂經(jīng)表面活化處理后可達(dá)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(duì)應(yīng) 專門模具，模具生產(chǎn)周期長(zhǎng)、適應(yīng)性差、容錯(cuò)率低、成本高。隨著鑄件產(chǎn)品型號(hào)迭代速度加快，開發(fā)金屬模具的模式無(wú)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(lái)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)?、型芯和模殼制備，其中，快速成形蠟?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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的增材制造技術(shù)極大地縮短了新產(chǎn)品蠟?zāi)ＴO(shè)計(jì)、制造周期，從而有效地縮短了新產(chǎn)品交付周期。目前，針對(duì)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(shí)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(diǎn)各不相同，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往會(huì)結(jié)合產(chǎn)品需求進(jìn)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)?，樹脂微滴噴射技術(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?qiáng)度高、制殼難度低[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?yàn)殁伜辖鸬臐沧囟仍?600℃以上，金屬液與模殼溫度差可達(dá)1000℃，即使將澆注速度控制得足夠慢，澆注時(shí)金屬液仍會(huì)對(duì)面層型殼產(chǎn)生很大的熱沖擊。然而，模殼總體強(qiáng)度不能過(guò)大，一般要求模殼能夠在金屬液凝固過(guò)程中逐漸破裂、 潰散，減少對(duì)鑄件的約束，降低鑄件內(nèi)應(yīng)力、抑制開裂等問(wèn)題。此外，若型殼面層粗糙度控制不佳，會(huì)傳導(dǎo)至鑄件的表面質(zhì)量，增加后處理工序，嚴(yán)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(shí)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(guò)模殼材料配方優(yōu)化及其制殼工藝，開發(fā)可實(shí)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(diǎn)對(duì)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(guò)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(guò)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(wèn)題。通過(guò)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?gòu)?fù)合鑄型研究。

沈陽(yáng)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?gòu)?fù)合鑄型，用于澆注ZTA15合金舵軸鑄件，表面質(zhì)量?jī)?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(qiáng)等[23]對(duì)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(kuò)散層厚度相當(dāng)。

1.3熔煉澆注工藝發(fā)展

近幾十年來(lái)真空冶煉和澆注設(shè)備迭代升級(jí)，鈦合金熔煉澆注工藝也不斷創(chuàng)新，數(shù)字化、自動(dòng)化和可視化澆注得以實(shí)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(jìn)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(jì)30年代開始，各國(guó)開始對(duì)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(jìn)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(lái)進(jìn)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(wú)需制作電極、合金成分和熔池溫度均勻、高純凈無(wú)夾雜、可在熔煉過(guò)程中添加合金元素、熔池保溫時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)懸浮熔煉爐在凝殼爐的基礎(chǔ)上，還增加了磁場(chǎng)對(duì)金屬液的強(qiáng)烈攪拌作用，有助于進(jìn)一步提高爐料的均勻性，近年來(lái)隨著高質(zhì)量合金需求不斷增長(zhǎng)，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(jí)4種，使用最多的是20kg級(jí)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(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、北京航材院、沈陽(yáng)鑄造所和重慶兩航等單位已具備50kg級(jí)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(jī)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(jī)匣強(qiáng)度高，本體組織更為細(xì)小，但對(duì)于低流動(dòng)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(xiǎn)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(dòng)性鈦合金填充復(fù)雜型腔的能力，實(shí)現(xiàn)低過(guò)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(duì)離心工裝、模殼強(qiáng)度要求較高，還有較大的成分偏析風(fēng)險(xiǎn)。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(dòng)機(jī)機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)際澆注前會(huì)利用Procast、MagmaSoft、AnyCasting、華鑄CAE等軟件對(duì)澆注過(guò)程進(jìn)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(duì)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熔煉澆注工藝進(jìn)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(wú)欠注跑火、表面質(zhì)量好、性能滿足要求。賈國(guó)成等[29]通過(guò)模擬仿真設(shè)計(jì)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(jì)+實(shí)際澆注驗(yàn)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(cè)量難和控制難等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)精密鑄造模擬仿真結(jié)果與實(shí)際澆注結(jié)果的吻合度不高，尤其是對(duì)于采用新型鈦合金的新型鑄件產(chǎn)品，仍主要依靠實(shí)際澆注驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)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(qiáng)度/塑性，保證鑄件安裝和使用時(shí)不發(fā)生變形或開裂等問(wèn)題，往往還需要進(jìn)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(duì)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(guò)β單相區(qū)，否則會(huì)引起β相晶粒急劇長(zhǎng)大，晶界α粗化，嚴(yán)重降低強(qiáng)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(jìn)行固溶時(shí)效處理，進(jìn)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(shí)效溫度一般在500~600℃之間。趙紅霞等[32]對(duì)ZTC4合金經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理之后，發(fā)現(xiàn)粗大的連續(xù)晶界α可被細(xì)化和分割開，片狀α束域能夠得到細(xì)化，從而使強(qiáng)度大幅度提高，同時(shí)保持較好的塑性。劉小花等[33]對(duì)鑄造Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb鈦合金進(jìn)行固溶時(shí)效處理，發(fā)現(xiàn)室溫及高溫強(qiáng)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(guò)程中的熔煉澆注階段往往會(huì)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(guò)X射線成像后

可被觀察到。熱等靜壓處理時(shí)，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(diǎn)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(qiáng)、保溫保壓時(shí)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(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一定下降，但塑性會(huì)得到較大改善[34]。圖6所示為典型的熱等靜壓對(duì)TC4合金鑄件氣孔及強(qiáng)塑性的影響[35]。

（3）焊接修補(bǔ)工藝。

熱等靜壓可以消除鑄件內(nèi)部缺陷，但是無(wú)法消除鑄件表面缺陷，甚至還會(huì)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(duì)鈦鑄件表面和內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，若表 面存在凹坑缺陷，內(nèi)部存在夾雜等，需要采用焊接進(jìn)行修補(bǔ)。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(bǔ)后的鈦合金鑄件仍具有優(yōu)良的強(qiáng)塑性和疲勞性能。

但是，焊接過(guò)程中還需注意焊前準(zhǔn)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(guò)控制保護(hù)氣體氛圍和提高焊接區(qū)域表面清潔度實(shí)現(xiàn)。典型合金元素對(duì)鈦合金焊接 性能的影響如表4所示[36]。焊接過(guò)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(qiáng)、韌性下降或開裂等問(wèn)題。同時(shí)，鈦合金自身成分和鑄件結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)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(guò)程中發(fā)生非平衡態(tài)凝固，析出脆性有序相會(huì)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(chǎng)變化不均勻時(shí)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(duì)性的鑄造技術(shù)并不斷改進(jìn)。

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(shì)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(jìn)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(lái)。

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(guó)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(lái)源于俄羅斯BT20鈦合金。目前，我國(guó)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(guò)了80%。

國(guó)內(nèi)外科研院所和高校研究團(tuán)隊(duì)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(duì)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(duì)間隙元素進(jìn)行調(diào)控，間隙元素C、O、N、H等對(duì)ZTC4性能有較大影響，圖7所示為氧、氮、氫三種氣體元素對(duì)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?jǐn)?shù)）有利于同時(shí)提高ZTC4鑄件的強(qiáng)塑性[46]。針對(duì)高損傷容性需求的鑄件，一般會(huì)采用低間隙ZTC4合金（ZTC4ELI）。研究表明，微量Fe（<0.24%）對(duì)低間隙TC4具有較好的固溶強(qiáng)化作用，可在斷裂韌性不變的前提下提高抗拉強(qiáng)度[47]。

近幾十年來(lái)，為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣和葉片等鑄件對(duì)高溫蠕變及高溫強(qiáng)度等需求，多種鑄造高溫鈦合金被開發(fā)出來(lái)。表7所示為典型的高溫高強(qiáng)鈦合金牌號(hào)及力學(xué)性能。耐 550℃高溫鈦合金較多，國(guó)內(nèi)外合金牌號(hào)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(dá)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(guò)澆注系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)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(wèn)題，附鑄試棒和鑄件本體力學(xué)性能滿足指標(biāo)要求。中國(guó)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(jìn)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(xì)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(dāng)。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(qiáng)度偏低。鑄造β鈦合金有Ti153、β-21S、BT35等，雖然使用溫度達(dá)不到500℃，但其室溫屈服強(qiáng)度可超過(guò)1000MPa，高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能也較好[49]。相較于近α鈦合金，近年來(lái)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(qiáng)塑性及低成本優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(dòng)升溫，對(duì)耐高溫要求已超過(guò)鈦合金熱障溫度600℃，常規(guī)鈦合金無(wú)法滿足如此高溫性能要求。當(dāng)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(dá)到8.4g/cm³，比鈦合金的密度高86%，但比強(qiáng)度不及鈦合金[50]。近年來(lái)，耐600℃以上高溫的近α鈦合金、鈦鋁合金和Ti₂AlNb合金取得了長(zhǎng)足發(fā)展，新牌號(hào)、新成分不斷被開發(fā)出來(lái)。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(guó)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(lái)，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(qiáng)度，但較大地提升了鑄造性能，目前可澆注最大輪廓已超過(guò)1200mm的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(yán)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(biāo)準(zhǔn)化。

TiAl合金密度比常規(guī)鈦合金更?。s4g/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(dòng)機(jī)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(jī)械加工更加困難，這些問(wèn)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(dòng)機(jī)葉片和機(jī)匣類部件[28]。國(guó)內(nèi)也具備生產(chǎn)中小尺寸TiAl合金鑄件能力，如中國(guó)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(bào)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(wèn)題。TiAl合金在熔融狀態(tài)下活性高、流動(dòng)性差、凝固收縮率大、凝固過(guò)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(duì)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(bào)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(guò)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(dòng)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(shí)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(shí)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(qiáng)塑性和抗蠕變性能更好，其使用溫度高達(dá)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(diǎn)高、流動(dòng)性差等 問(wèn)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(wú)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(xiǎn)的航空航天部件中，如導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、導(dǎo)彈軌控發(fā)動(dòng)機(jī)噴管連接件、衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣試驗(yàn)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(jìn)一步機(jī)械加工等問(wèn)題。黃東等[63]對(duì)Ti₂AlNb合金的鑄造工藝存在縮孔和縮松等缺陷的問(wèn)題開展了熱等靜壓試驗(yàn)，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(duì)Ti₂AlNb合金鑄造性能及工藝研究的公開報(bào)道鮮見，尚無(wú)Ti₂AlNb合金大型熔模精鑄件工程化應(yīng)用的實(shí)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(guò)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(zhǎng)機(jī)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(xiàn)。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(jī)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(dòng)機(jī)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(guó)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(dòng)機(jī)安裝吊架精密鑄件、GE90發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇輪轂、F117發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室前部鑄件、波音777發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝框架、A380客機(jī)剎車扭力管、Bell-BoeingV-22傾轉(zhuǎn)式旋翼機(jī)上的轉(zhuǎn)接座、F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上的側(cè)機(jī)身接頭垂尾方向舵作動(dòng)筒支座等。

美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)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(dòng)力裝置入口框、座艙面板、主機(jī)翼組件、方向舵鉸鏈副等。我國(guó)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(dòng)機(jī)支板的主要供應(yīng)商，并成為L(zhǎng)EAP-1A、1B、1C發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)螺栓機(jī)械連接的數(shù)量，降低了制造成本和工藝難度，提升了機(jī)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(jì)90年代，NASA民用超音速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)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(dòng)機(jī)試車。2006年，PCC公司通過(guò)熔模精密鑄造將Ti4822 應(yīng)用到GE公司最新一代發(fā)動(dòng)機(jī)GEnx低壓渦輪的最后2級(jí)葉片上，并陸續(xù)裝配波音787和747-8s客機(jī)上，首次實(shí)現(xiàn)了TiAl合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì) 量減輕約180kg。中國(guó)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(kuò)壓器、葉片和增壓器渦輪等鑄件[64]。中國(guó)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(guó)羅·羅公司的TrentXWB大推力、大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)考核驗(yàn)證，未來(lái)還將用于國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的長(zhǎng)江發(fā)動(dòng)機(jī)上。沈陽(yáng)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(dòng)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(qiáng)度、韌性，其耐疲勞、無(wú)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(jī)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(lái)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(jìn)展。我國(guó)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(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)鈦合金精密鑄造技術(shù)企業(yè)與美國(guó)先進(jìn)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(jìn)展。

新型鑄造鈦合金一般從鍛造鈦合金成分改良而來(lái)，鍛造工藝性能和力學(xué)性能數(shù)據(jù)無(wú)法適用于鑄造，開發(fā)新型鑄造鈦合金精密鑄件的周期長(zhǎng)、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(chǎng)共同作用導(dǎo)致成本難以下降，鈦合金型殼材料價(jià)格昂貴且為一次性使用，真空熔煉環(huán)節(jié)對(duì)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(guó)家重大項(xiàng)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(bào)周 期長(zhǎng)。

（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(guó)產(chǎn)軟件使用率低，國(guó)外模擬仿真軟件壟斷等問(wèn)題。此外，大量鑄造生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)無(wú)法直接測(cè)量，或測(cè)量準(zhǔn)確性差，模擬仿真工藝參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)不匹配，材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)更新與新材料開發(fā)進(jìn)展嚴(yán)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(jìn)展緩慢。

（4）鈦合金增材制造崛起的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)。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(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)受粉體價(jià)格高、產(chǎn)能不足等問(wèn)題所限，增材制造的價(jià)格比精密鑄造更高，市場(chǎng)推廣應(yīng)用受阻，但隨粉體價(jià)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力逐漸顯現(xiàn)。

為解決我國(guó)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(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

（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(kù)。通過(guò)對(duì)影響合金流動(dòng)性的熱物理參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬試驗(yàn)，結(jié)合流動(dòng)性驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得有利于提高流 動(dòng)性的成分。通過(guò)高通量第一性原理計(jì)算，建立合金基本物性及電子特征參量數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)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?yàn)證。耦合提 高鑄造性能和力學(xué)性能的影響機(jī)制，從成分設(shè)計(jì)到試驗(yàn)驗(yàn)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(kù)。

（2）利用數(shù)字孿生技術(shù)降低生產(chǎn)成本。對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造，量化蠟?zāi)?、模殼和鑄件質(zhì)量，開展工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、精細(xì)化成本計(jì)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(duì)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(jìn)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(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

（3）大力發(fā)展國(guó)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(guó)Procast、韓國(guó)Anycasting等長(zhǎng)期壟斷，國(guó)產(chǎn)軟件由于數(shù)據(jù)庫(kù)不足、功能缺 失、預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度差，市場(chǎng)滲透率較低。我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展國(guó)產(chǎn)鑄造模擬軟件，通過(guò)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(kù)，培養(yǎng)專業(yè)人才隊(duì)伍，合力提升國(guó)產(chǎn)鑄造模擬軟件的技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸子川, 張緒虎, 微石, 等. 航天用鈦合金及其精密成形技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝, 2020, 50(4): 1-7.

LU Zichuan, ZHANG Xuhu, WEI Shi, et al. Research progresses of titanium alloys and relevant precision forming technology for the aerospace industry[J]. Aerospace Materials & Technology, 2020, 50(4): 1-7.

[2] NAJAFIZADEH M, YAZDI S, BOZORG?M,?et?al.?Classi?cation?and?applications?of titanium and its alloys: A review[J]. Journal of Alloys and Compounds Communications, 2024, 3: 100019.

[3] 王前, 秦翔陽(yáng), 劉曉宇, 等. 熱積累對(duì)不同特征尺寸TA15鈦合金選區(qū)激光熔化組織的影響[J]. 鑄造技術(shù), 2022, 43(11): 964-969.

WANG Qian, QIN Xiangyang, LIU Xiaoyu,?et?al.?E?ect?of?heat?accumulation?during?selective laser melting on the microstructure of TA15 titanium alloy with different geometry characteristics[J]. Foundry Technology, 2022, 43(11): 964-969.

[4] 沈昀, 鄭功, 馮辰銘. 熔模精密鑄造技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2019, 11(1): 54-62.

S H E N Yu n , Z H E N G G o n g , F E N G Chenming. Research progress of investment casting technology[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(1): 54-62.

[5] 呂維潔, 張荻, 韓遠(yuǎn)飛, 等. 耐熱鈦基復(fù)合材料制備加工及應(yīng)用綜述[J]. 航空制造技術(shù), 2023, 66(4): 38-47, 71.

Lü Weijie, ZHANG Di, HAN Yuanfei, et al. A review of fabrication, processing and application of heat-resistant titanium matrix composites[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2023, 66(4): 38-47, 71.

[6] 王冰, 相志磊, 周宗熠, 等. 耐600 ℃及以上高溫鈦合金研究進(jìn)展[J]. 鋼鐵釩鈦, 2024, 45(2): 42-50, 71.

WANG Bing, XIANG Zhilei, ZHOU Zongyi, et al. Research status and prospect of titanium alloys resistant to high temperature of 600 ℃ and above[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2024, 45(2): 42-50, 71.

[7] RAJI S A, POPOOLA A P I, PITYANA S L, et al. Characteristic effects of alloying elements on β solidifying titanium aluminides: A review[J]. Heliyon, 2020, 6(7): e04463.

[8] A m e r i c a n C a s t i n g C o m p a n y. Investment casting process steps (lost wax)[EB/OL]. [2024-11-20]. https://americancastingco.com/investment-casting-process/.

[9] CANNELL N, SABAU A S. Predicting pattern tooling and casting dimensions for investment casting, phase Ⅱ[R]. United States: U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information, 2005.

[10] 尤暢, 程姣姣, 史昆, 等. 兩種添加劑對(duì)石蠟- 硬脂酸蠟料性能的影響[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2024, 38(S1): 566-571.

YOU Chang, CHENG Jiaojiao, SHI Kun, et al. Effects of two additives on properties of paraffin-stearic?acid?pattern[J].?Materials?Reports,?2024, 38(S1): 566-571.

[11] 程姣姣. 模料特性對(duì)鈦合金鑄造質(zhì)量的影響及配方優(yōu)化[D]. 北京: 中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司, 2022.

CHENG?Jiaojiao.?In?uence?of?mold?material?characteristics on casting quality of titanium alloy and formula optimization[D]. Beijing: China Academy of Machinery Science and Technology Group Co., Ltd., 2022.

[12] 孫旋. 增材制造技術(shù)在精密鑄造熔模制備中的應(yīng)用[J]. 鑄造技術(shù), 2018, 39(12): 2781-2783, 2786.

SUN Xuan. Application of additive manufacturing technology in the application of precision casting investment preparation[J]. Foundry Technology, 2018, 39(12): 2781-2783, 2786.

[13] BANDYOPADHYAY A, BOSE S. Additive manufacturing[M]. Ohio: CRC Press, 2015.

[14] 樊自田, 楊力, 唐世艷. 增材制造技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用[J]. 鑄造, 2022, 71(1): 1-16.

FAN Zitian, YANG Li, TANG Shiyan. Additive manufacturing technology and its application to casting[J]. Foundry, 2022, 71(1): 1-16.

[15] 胡可輝, 趙鵬程, 呂志剛. 光固化增材制造技術(shù)在熔模鑄造中的應(yīng)用[J]. 鑄造, 2021, 70(2): 155-159.

HU Kehui, ZHAO Pengcheng, Lü Zhigang. Application of stereolithography technology to investment casting[J]. Foundry, 2021, 70(2): 155-159.

[16] 李婷. 鈦合金熔模鑄造用氧化物陶瓷型殼的制備工藝研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2013.

LI Ting. Study on preparation technology of oxide ceramic shell for titanium alloy investment casting[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.

[17] 王迪, 李九霄, 董安平, 等. 熔模鑄造型殼用材料研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2023, 15(4): 205-216.

WANG Di, LI Jiuxiao, DONG Anping, et al. Research progress of materials for investment casting molding shells[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(4): 205-216.

[18] 劉云超, 李弘, 劉珍君, 等. ZTi60鈦合金大型構(gòu)件熔模精鑄工藝及組織性能研究[J]. 鑄造技術(shù), 2024, 45(10): 994-1003.

LIU Yunchao, LI Hong, LIU Zhenjun, et al. Study on the investment casting process, microstructure and mechanical properties of largesized structural components in ZTi60 titanium alloy[J]. Foundry Technology, 2024, 45(10): 994-1003.

[19] FASHU S, LOTOTSKYY M, DAVIDS M W, et al. A review on crucibles for induction melting of titanium alloys[J]. Materials & Design, 2020, 186: 108295.

[20] DUAN B H, MAO L, Lü M R, et al. Interface interaction during the preparation of TiAl-(Nb,V) quaternary intermetallic single crystals?by?directional?solidi?cation?based?on?Y2O3 doped BaZrO3/Al2O3 composite ceramic mold[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2023, 43(11): 5032-5043.

[21] CHEN G Y, GAO P Y, KANG J Y, et al. Improved stability of BaZrO3 refractory with Y2O3 additive and its interaction with titanium melts[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 726: 403-409.

[22] 陳曉明, 張愛(ài)博, 侯斌, 等. 鈦合金鑄造用金屬鑄型研究[J]. 鑄造, 2022, 71(10): 1289-1294.

CHEN Xiaoming, ZHANG Aibo, HOU Bin, et al. Research on metal mold technology for titanium alloy casting[J]. Foundry, 2022, 71(10): 1289-1294.

[23] ?；瘡?qiáng), 孫冰, 孫宏喆, 等. 涂層在鈦合金金屬型鑄造中的應(yīng)用研究[J]. 鑄造工程, 2023, 47(4): 1-4.

CHANG Huaqiang, SUN Bing, SUN Hongzhe, et al. Application of coating technology on metal mold casting of titanium alloy[J]. Foundry Engineering, 2023, 47(4): 1-4.

[24] GüTHER V, ALLEN M, KLOSE J, et al. Metallurgical processing of titanium aluminides on industrial scale[J]. Intermetallics, 2018, 103: 12-22.

[25] CHAMORRO X, HERRERODORCAN, BERNAL D, et al. Induction skull melting of Ti-6Al-4V: Process control and effciency?optimization[J].?Metals,?2019,?9(5):?539.

[26] 嚴(yán)建強(qiáng), 白志宇, 張志勇, 等. 真空感應(yīng)懸浮熔煉技術(shù)在高純材料制備中的應(yīng)用[J]. 鑄造, 2024, 73(2): 253-256.

YAN Jianqiang, BAI Zhiyu, ZHANG Zhiyong, et al. Application of vacuum induction suspension melting technology in the preparation of high-purity materials[J]. Foundry, 2024, 73(2): 253-256.

[27] 王晨旭, 丁鑫, 王新秀, 等. 立式離心澆注精密鑄造技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 鑄造技術(shù), 2024, 45(10): 932-944.

WANG Chenxu, DING Xin, WANG Xinxiu, et al. Research progress in vertical centrifugal casting precision casting technology[J]. Foundry Technology, 2024, 45(10): 932-944.

[28] 樊洪智, 董紅瑞, 趙天聞, 等. TiAl合金葉片類構(gòu)件成形工藝研究進(jìn)展[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2024, 31(8): 1-13.

FAN Hongzhi, DONG Hongrui, ZHAO Tianwen, et al. Research progress on forming process of TiAl alloy blade components[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2024, 31(8): 1-13.

[29] 賈國(guó)成, 麻毅, 常化強(qiáng), 等. 傾斜式離心鑄造對(duì)鈦合金鑄件質(zhì)量的優(yōu)化[J]. 鑄造技術(shù), 2022, 43(5): 385-388.

JIA Guocheng, MA Yi, CHANG Huaqiang, et al. Quality optimization of titanium alloy castings by inclined centrifugal casting[J]. Foundry Technology, 2022, 43(5): 385-388.

[30] 朱小平. 大重量高精度復(fù)雜鈦合金機(jī)匣整體鑄造技術(shù)研究[D]. 北京: 北京科技大學(xué), 2023.

ZHU Xiaoping. Study on integral casting technology of large weight and high precision complex titanium alloy casing[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2023.

[31] 陳凱, 田雪勇, 石鵬. 不同熱處理狀態(tài)ZTC4的鑄件組織演變與性能研究[J]. 鑄造工程, 2023, 47(S1): 13-17.

CHEN Kai, TIAN Xueyong, SHI Peng. Study on the microstructure evolution and properties of ZTC4 castings in different heat treatment states[J]. Foundry Engineering, 2023, 47(S1): 13-17.

[32] 趙紅霞, 南海, 沙愛(ài)學(xué). 鑄造鈦合金B(yǎng)T22與ZTC4的組織和性能對(duì)比分析[J]. 鑄造工程, 2022, 46(5): 1-5.

ZHAO Hongxia, NAN Hai, SHA Aixue. Comparisons of structures and properties between cast titanium alloy BT22 and ZTC4[J]. Foundry Engineering, 2022, 46(5): 1-5.

[33] 劉小花, 范李鵬, 張利軍, 等. 固溶時(shí)效對(duì)鑄造Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb鈦合金組織和性能的影響[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2022, 36(S2): 328-331.

LIU Xiaohua, FAN Lipeng, ZHANG Lijun, et al. Effects of solution-aging heat treatment on microstructures and properties of cast Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb titanium alloy[J]. Materials Reports, 2022, 36(S2): 328-331.

[34] 王紅紅, 劉振軍, 王紅. 鈦合金鑄件的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2009(11): 25-30.

WANG Honghong, LIU Zhenjun, WANG Hong. Application and development of titaniumalloy castings[J]. Advanced Materials Industry, 2009(11): 25-30.

[35]? XU?Q,?LI?W,?YIN?Y?J,?et?al.?E?ect?of?hot isostatic pressing on the cast Ti6Al4V alloy with shrinkage cavities inside: Healing behavior, microstructure evolution and tensile property[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 832: 142496.

[36] 李廣東, 石岳良. 鑄造鈦合金補(bǔ)焊技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 精密成形工程, 2018, 10(3): 105-109.

LI Guangdong, SHI Yueliang. Progress in research on cast titanium alloy welding repair[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(3): 105-109.

[37] 閆飛昊, 王崗, 范金偉, 等. 高溫鈦合金焊接研究現(xiàn)狀及展望[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2021, 36(6): 97-102.

YAN Feihao, WANG Gang, FAN Jinwei, et al. Review and prospect of high temperature titanium alloy welding[J]. Development and Application of Materials, 2021, 36(6): 97-102.

[38] 汪欣朝, 杜坤, 王毅, 等. 基于機(jī)器視覺(jué)的鈦合金焊接過(guò)程非平衡凝固組織性能智能控制[J]. 鑄造技術(shù), 2023, 44(2): 169-184.

WANG Xinzhao, DU Kun, WANG Yi, et al. Graphic learning enabled intelligent optimizations of the non-equilibrium solidified microstructure and properties of welded titanium alloy[J]. Foundry Technology, 2023, 44(2): 169-184.

[39] ZHAO E T, SUN S C, ZHANG Y. Recent advances in silicon containing high temperature titanium alloys[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 14: 3029-3042.

[40] DAI J J, ZHU J Y, CHEN C Z, et al. High temperature oxidation behavior and research?status?of?modi?cations?on?improving?high?temperature oxidation resistance of titanium alloys and titanium aluminides: A review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 685: 784-798.

[41] ZHANG J, ZHANG X W, WANG H W, et al. Study on improving the fluidity of Ti₂AlNb alloy[J]. Calphad, 2023, 83: 102621.

[42] 袁璐愷, 王理林, 丁漢林, 等. 激光直接能量沉積Ti6242S-0.75Ni-1.65Fe-0.05B合金的組織及力學(xué)性能各向異性研究[J]. 鑄造技術(shù), 2023, 44(3): 233-239.

YUAN Lukai, WANG Lilin, DING Hanlin, et al. Study on the microstructure and mechanical property anisotropy of Ti6242S-0.75Ni-1.65Fe-0.05B alloy by laser direct energy deposition[J]. Foundry Technology, 2023, 44(3): 233-239.

[43] 戚運(yùn)蓮, 曾立英, 侯智敏, 等. 微量元素對(duì)ZTC4 顯微組織與力學(xué)性能影響[J]. 鑄造, 2014, 63(11): 1102-1105.

QI Yunlian, ZENG Liying, HOU Zhimin, et al. Effect of trace element on the microstructure and mechanical properties of as-cast ZTC4[J]. Foundry, 2014, 63(11): 1102-1105.

[44] ZHANG L B, WANG K Z, XU L J, et al. Effect of Nb addition on microstructure, mechanical properties and castability of β-type TiMoalloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(7): 2214-2220.

[45] LI J, JEFFS S, WHITTAKER M, et al. Boride formation behaviour and their effect on tensile ductility in cast TiAl-based alloys[J]. Materials & Design, 2020, 195: 109064.

[46] 劉宏宇, 趙軍, 謝華生, 等. 氣體元素對(duì)ZTC4鑄造鈦合金力學(xué)性能的影響[J]. 鑄造, 2012, 61(9): 1006-1008, 1014.

LIU Hongyu, ZHAO Jun, XIE Huasheng, et al. Effect of gas elements on mechanical properties of ZTC4 cast titanium alloy[J]. Foundry, 2012, 61(9): 1006-1008, 1014.

[47] 梁恩泉, 黃森森, 馬英杰, 等. Fe 對(duì)Ti-6Al-4V ELI 合金力學(xué)性能的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2016, 30(4): 299-306.

L I A N G E n q u a n , H U A N G S e n s e n , MA Yingjie, et al. The influence of Fe on the mechanical properties of Ti-6Al-4V ELI alloy[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2016, 30(4): 299-306.

[48] 王清江, 劉建榮, 楊銳. 高溫鈦合金的現(xiàn)狀與前景[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2014, 34(4): 1-26.

WANG Qingjiang, LIU Jianrong, YANG Rui. High temperature titanium alloys: Status and perspective[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2014, 34(4): 1-26.

[49] 閆平, 王利, 趙軍, 等. 高強(qiáng)度鑄造鈦合金的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 鑄造, 2007, 56(5): 451-454.

YAN Ping, WANG Li, ZHAO Jun, et al. Development and applications of the highstrengthcast titanium alloy[J]. Foundry, 2007, 56(5): 451-454.

[50] PERRUT M, CARON P, THOMAS M, et al. High temperature materials for aerospace applications: Ni-based superalloys and γ-TiAl alloys[J]. Comptes Rendus Physique, 2018, 19(8): 657-671.

[51] ZHANG H Y, YAN N, LIANG H Y, et al. Phase transformation and microstructure control of Ti₂AlNb-based alloys: A review[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 80: 203-216.

[52] SUI X C, LIN J, CHENG S, et al. Controlling the tensile properties of a highstrength-ductilityTi₂AlNb alloy by hot rolling[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2024, 33: 1846-1859.

[53] WANG W, ZENG W D, LI D, et al. Microstructural evolution and tensile behavior of Ti₂AlNb alloys based α2-phase decomposition[J]. Materials Science and Engineering: A, 2016, 662: 120-128.

[54] XIA Z Z, CUI Y Y, SHEN Y Y, et al. Tensile properties of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy having similarly oriented lamellae with fine lamellar spacing facilitated by suction casting[J]. Materials Science and Engineering: A, 2022, 830: 142303.

[55] GAO Z T, YANG J R, WU Y L, et al. A newly generated nearly lamellar microstructure in cast Ti-48Al-2Nb-2Cr alloy for hightemperature strengthening[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2019, 50(12): 5839-5852.

[56] SCHWAIGHOFER E, CLEMENS H, MAYER S, et al. Microstructural design and mechanical properties of a cast and heat-treated intermetallic multi-phase γ-TiAl based alloy[J]. Intermetallics, 2014, 44: 128-140.

[57] CHLUPOVá A, HECZKO M, OBRTLíK K, et al. Mechanical properties of high niobium TiAl alloys doped with Mo and C[J]. Materials & Design, 2016, 99: 284-292.

[58] BURTSCHER M, KLEIN T, LINDEMANN J, et al. An advanced TiAl alloy for high-performance racing applications[J]. Materials, 2020, 13(21): 4720.

[59] GENC O, UNAL R. Development of gamma titanium aluminide (γ-TiAl) alloys: A review[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 929: 167262.

[60] 魏戰(zhàn)雷, 任貴娟, 李建崇, 等. Ti-48Al-2Nb-2Cr 合金鑄造收縮特性研究[J]. 精密成形工程, 2018, 10(3): 18-21.

WEI Zhanlei, REN Guijuan, LI Jianchong, et al. Contraction characteristics of Ti-48Al-2Nb-2Cr casting alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(3): 18-21.

[61] 樊江磊, 梁柳博, 李瑩, 等. TiAl 合金熔體與鑄型界面反應(yīng)研究進(jìn)展[J]. 輕工學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 68-83.

FAN Jianglei, LIANG Liubo, LI Ying, et al. Research status of interfacial reaction between TiAl alloy melt and mold materials[J]. Journal of Light Industry, 2020, 35(6): 68-83.

[62] YUAN C, CHENG X, HOLT G S, et al. Investment casting of Ti-46Al-8Nb-1B alloyusing moulds with CaO-stabilized zirconia face coat at various mould pre-heat temperatures[J]. Ceramics International, 2015, 41(3): 4129-4139.

[63] 黃東, 魏戰(zhàn)雷, 朱郎平, 等. 熱等靜壓對(duì)Ti₂AlNb 合金組織和力學(xué)性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2018, 38(8): 835-837.

HUANG Dong, WEI Zhanlei, ZHU Langping, et al. Influence of HIP process on mechanical properties of Ti₂AlNb alloy castings[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2018, 38(8): 835-837.

[64] ZHAO J, ZHANG Z Y, LIU S B, et al. Elimination of misrun and gas hole defects of investment casting TiAl alloy turbocharger based on numerical simulation and experimental study[J]. China Foundry, 2020, 17(1): 29-34.

[65] 謝華生, 劉時(shí)兵, 趙軍, 等. TiAl 合金精密成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 精密成形工程, 2022, 14(1): 44-54.

XIE Huasheng, LIU Shibing, ZHAO Jun, et al. Development status and prospect of precision forming technology for TiAl alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(1): 44-54.

[66] HARDING R A, WICKINS M, WANG H, et al. Development of a turbulencefreecasting technique for titanium aluminides[J]. Intermetallics, 2011, 19(6): 805-813.

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。