張爽

（哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

鈦合金金屬鑄造新工藝探析

張爽

（哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

鈦合金是一種性能優(yōu)良的新材料，被譽(yù)為“未來(lái)金屬”。具有密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等特點(diǎn)。由于航空、航天用零部件對(duì)材料比強(qiáng)度有很高的要求，因此鈦合金作為一種高比強(qiáng)合金在航空、航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。同時(shí)，鈦在地殼中蘊(yùn)藏量豐富，所以有著廣泛的應(yīng)用前景，發(fā)展非?？欤虝r(shí)間內(nèi)已顯示出了它強(qiáng)大的生命力，成了能源工業(yè)、海上運(yùn)輸業(yè)、航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)以及醫(yī)療保健等方面不可缺少的材料。

鈦合金；鑄造；精密

鈦合金鑄造就是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過(guò)程。同時(shí)，它的適應(yīng)性較廣，且具有較好的綜合機(jī)械性能。鈦合金從實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)至有60多年，現(xiàn)代鈦合金鑄造生產(chǎn)的毛坯成本低廉，對(duì)于形狀復(fù)雜、特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件，更能顯示出它的經(jīng)濟(jì)性。由于其密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、線膨脹系數(shù)小、生物相容性好等一系列優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。

1 鈦合金鑄造工藝的適用性

1.1 鈦合金可鑄件形狀復(fù)雜的零件

鈦合金鑄造零件形狀復(fù)雜的、壁很薄的、尺寸精度又要求非常高的，這時(shí)就必須采用精密鑄造（熔模鑄造）來(lái)完成；鈦合金鑄件更有其獨(dú)特的優(yōu)越性，特別是熔模精密鑄件，形狀可任意復(fù)雜，可近無(wú)余量甚至無(wú)余量整體成形，尺寸小到1mm，大到上千毫米，大大增加了零件設(shè)計(jì)的自由度。鑄件的大型化、整體化、薄壁化和近無(wú)余量化是高質(zhì)量鑄造生產(chǎn)面臨的主要問(wèn)題，引領(lǐng)著航空航天結(jié)構(gòu)鑄件的發(fā)展方向。大力開(kāi)發(fā)更加適合于薄壁復(fù)雜鑄件的鑄造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鑄件輕量化乃至鑄造精確化、低成本化和短周期化的有效途徑?，F(xiàn)代航空、航天飛行器不但要求輕型化、速度高，還要求性能好、壽命長(zhǎng)、安全可靠。為了進(jìn)一步提高飛行器的性能，必須盡一切可能降低重量，以往采用由小鍛件連接的一些大部件將盡可能改用整體的結(jié)構(gòu)形式，這樣可以明顯提高結(jié)構(gòu)的剛性和減輕重量。尤其是鈦合金件，由于焊接技術(shù)難度很大，更希望做成整體構(gòu)件，因此大型、薄壁、復(fù)雜、整體、精密制造技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外航空、航天飛行器用的鈦合金結(jié)構(gòu)件制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 少量的鑄件采用鈦合金鑄造經(jīng)濟(jì)合理

近年來(lái)，鈦的鑄造技術(shù)主要發(fā)展了冷坩堝+離子澆鑄技術(shù)、真空吸鑄技術(shù)和真空壓鑄技術(shù)。鈦合金熔模精密鑄造典型工藝有石墨熔模型殼，金屬鎢面層陶瓷型殼，氧化物陶瓷型殼。鈦合金材料生產(chǎn)成本高，機(jī)械加工、鍛造、焊接等比較困難，采用精密鑄造技術(shù)，可以提高鈦合金材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。鈦合金的密度僅為鋼的56%左右，約4.2g/cm3，但強(qiáng)度卻高于鋼，如抗拉強(qiáng)度為676～1211MPa，是現(xiàn)代工程金屬材料中最高的。幾種金屬材料在不同溫度下的比強(qiáng)度，可以看出，用鈦合金代替鋼和鋁合金而降低重量是相當(dāng)可觀的。同時(shí)，尺寸大、壁厚、數(shù)量較少量的鑄件，直接采用鈦合金鑄造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)比較劃算。

2 鈦合金金屬鑄造新工藝

2.1 鈦合金熔模鑄造技術(shù)

近年來(lái)，隨著鈦合金的發(fā)展及生產(chǎn)的需要，雖然出現(xiàn)了熔煉鈦合金的各種方法，如電子束爐、等離子弧爐、真空感應(yīng)爐、磁懸浮熔煉技術(shù)等。熔模鑄造大的優(yōu)點(diǎn)就是由于熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度，所以可減少機(jī)械加工工作，只是在零件上要求較高的部位留少許加工余量即可金屬模鑄造工藝，甚至某些鑄件只留打磨、拋光余量，不必機(jī)械加工即可使用。影響鑄件尺寸精度的因素較多，例如模料的收縮、熔模的變形、型殼在加熱和冷卻過(guò)程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝固過(guò)程中鑄件的變形等，所以普通熔模鑄件的尺寸精度雖然較高鑄造工藝，但其一致性仍需提高。鈦合金鑄件更有其獨(dú)特的優(yōu)越性，特別是熔模精密鑄件，形狀可任意復(fù)雜，可近無(wú)余量甚至無(wú)余量整體成形，尺寸小到1mm，大到上千毫米，大大增加了零件設(shè)計(jì)的自由度。因此發(fā)展鈦合金鑄造技術(shù)有著重要的實(shí)際意義。

2.2 砂型鑄造

砂型鑄造是一種以砂作為主要造型材料，制作鑄型的傳統(tǒng)鑄造工藝。砂型一般采用重力鑄造，有特殊要求時(shí)也可采用低壓鑄造、離心鑄造等工藝。砂型鑄造的適應(yīng)性很廣，小件、大件，簡(jiǎn)單件、復(fù)雜件，單件、大批量都可采用。主要過(guò)程包括配置型砂，造型，砂型烘干，熔煉金屬，合箱澆注，落砂清理，質(zhì)量檢驗(yàn)，鑄件入庫(kù)等過(guò)程。

2.3 殼型鑄造

殼型鑄造是采用金屬或者石膏先做個(gè)蠟?zāi)?，然后在蠟?zāi)；A(chǔ)上覆砂，形成殼體，把蠟化掉形成空殼，再焙燒干后澆入鋼水，得到鑄件的一種方法。因此殼型鑄造特別適用于生產(chǎn)批量較大、尺寸精度要求高、壁薄而形狀復(fù)雜的各種合金的鑄件。但殼型鑄造使用的樹(shù)脂價(jià)格昂貴，模板必須精密加工，成本較高，在澆注時(shí)還會(huì)產(chǎn)生有刺激性的氣味，這在某種程度上限制了這種方法的廣泛應(yīng)用。樹(shù)脂砂薄殼芯可與普通砂型或金屬型相互配合制造各種鑄件。

2.4 等溫鍛造技術(shù)

等溫鍛造顧名思義就是在鍛造過(guò)程中模具與坯料溫度保持一致并始終在一定范圍內(nèi)的鍛造工藝。與傳統(tǒng)的常規(guī)鍛造工藝不同點(diǎn)在于，等溫鍛造是把鍛模溫度控制在和坯料加熱溫度大致相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，使坯料在溫度基本不變的條件下完成鍛造的全過(guò)程。根據(jù)模具、坯料溫度關(guān)系，又可分為近等溫鍛造和熱模鍛造。近等溫鍛造一般模具溫度低于坯料溫度30～80℃，熱模鍛造一般模具溫度低于坯料溫度100～150℃。鈦合金等溫鍛造技術(shù)是一項(xiàng)新工藝，結(jié)合熱機(jī)械處理能獲得綜合力學(xué)性能最優(yōu)化的鈦合金等溫鍛件，但在模具材料、模具制造和模具加熱裝置等方面的成本投入比常規(guī)鍛造方法高，大多用于制造飛機(jī)的零部件。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，鈦合金鑄造零件具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、近凈成形、加工量少或無(wú)加工量、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有最好的鑄造工藝性能和穩(wěn)定的組織，能逐漸把超塑成型技術(shù)作為解決復(fù)雜、大型或用常規(guī)成型方法難以加工的材料成型的—個(gè)重要途徑。因此，加強(qiáng)對(duì)鈦合金鑄造工藝的研究就顯得尤為重要。

[1]隋艷偉.鈦合金立式離心鑄造缺陷形成與演化規(guī)律[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]賈麗敏.鈦合金離心精密鑄造凝固組織與力學(xué)性能分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[3]許 鋒，薛克敏.國(guó)內(nèi)外鈦合金等溫鍛造進(jìn)展[J].皖西學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（05）.

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