趙瑞斌

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京　100095)

大型復(fù)雜鈦合金薄壁件精鑄成形技術(shù)研究進(jìn)展

趙瑞斌

(北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100095)

大型復(fù)雜薄壁鈦合金精密鑄造技術(shù)是當(dāng)今世界軍用與民用航空領(lǐng)域的尖端技術(shù)。介紹了熔模精密鑄造技術(shù)的工藝流程、技術(shù)特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。結(jié)合國(guó)際最流行的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以及3D打印等新型技術(shù)，指出我國(guó)該項(xiàng)技術(shù)的研究趨勢(shì)與發(fā)展方向是:①加強(qiáng)熔模鑄造工藝的理論研究; ②深化鈦合金設(shè)計(jì)研究，探索性能更高的適合于大型復(fù)雜薄壁件鑄造成形的鈦合金；③深入研究純凈化技術(shù)，以及夾雜和鑄造缺陷與性能之間的定量關(guān)系；④建立型殼模型庫(kù)；⑤研發(fā)機(jī)器自動(dòng)涂浸漿料與撒砂工藝；⑥加強(qiáng)全過(guò)程的質(zhì)量管理與控制；⑦高度關(guān)注3D打印技術(shù)在鈦合金制造領(lǐng)域的發(fā)展及其在鈦合金熔模鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用。

鈦合金；大型薄壁件；精鑄技術(shù)；熔模鑄造

0　引　言

鈦合金以其比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在世界先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)上，如美國(guó)B-2 轟炸機(jī)、法國(guó)幻影 2000 及俄 Cy-27CK 戰(zhàn)斗機(jī)等用鈦量都到達(dá)了20%以上。我國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)的用鈦量也在不斷增大，如20世紀(jì)80 年代開(kāi)始服役的殲八系列，用鈦量為 2%，新一代戰(zhàn)斗機(jī)的用鈦量為15%，而更新一代的高性能新型戰(zhàn)斗機(jī)的用鈦量將達(dá)到 25%～30%。民用飛機(jī)上，鈦的用量也在不斷增大，一架 A320、A330 和 A340的用鈦量分別為 12 t、18 t 和 25 t，而 A380客機(jī)因采用了全鈦掛架，用鈦量達(dá)到 46 t[1]。

目前，國(guó)外大型先進(jìn)的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，如 RB199 的中介機(jī)匣、CF6-80C 的風(fēng)扇機(jī)匣等都采用了大型復(fù)雜薄壁鈦合金整體精鑄件。

由于該精鑄件在減重和提高飛機(jī)的性能方面有著重要的作用，因此在軍機(jī)與民機(jī)上均具有十分光明的應(yīng)用前景。該精鑄件的制造屬于國(guó)防尖端制造技術(shù)領(lǐng)域，制造難度大，各國(guó)保密性強(qiáng)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外大型復(fù)雜鈦合金薄壁件精鑄技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，以期對(duì)提升我國(guó)大型復(fù)雜薄壁鈦合金精鑄件制造水平有所裨益。

1　大型復(fù)雜薄壁鈦合金鑄造工藝

自從 1954 年美國(guó)礦山局采用機(jī)加工的高密度石墨型工藝成功鑄造出第一個(gè)鈦鑄件以來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鈦合金鑄造工藝的研究開(kāi)發(fā)已有六十多年的歷史，先后發(fā)展了砂型(搗實(shí))鑄造和殼型鑄造，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鈦合金鑄件的生產(chǎn)。但是，對(duì)于形狀十分復(fù)雜、壁厚小于 4 mm 的鈦鑄件用砂型鑄造或者殼型鑄造生產(chǎn)非常困難，甚至不可能。而航空航天及化工等行業(yè)中又不乏大型、形狀復(fù)雜、壁厚小于 4 mm 的零部件，為滿(mǎn)足這種特殊的需求，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始著力研究發(fā)展鈦合金熔模精密鑄造工藝。

熔模鑄造是一種采用可熔性一次模料制得型殼的澆注鑄件的方法，也叫做失蠟鑄造。采用該方法生產(chǎn)的鑄件表面粗糙度低、尺寸精確，因此，亦稱(chēng)為熔模精密鑄造。鈦合金熔模精密鑄造是為了滿(mǎn)足航空航天技術(shù)對(duì)于復(fù)雜薄壁件的需要而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的近凈成形工藝。目前，航空航天工業(yè)使用的鈦合金鑄造結(jié)構(gòu)件 98%以上都是采用熔模精密鑄造方法生產(chǎn)。

鈦合金熔模精密鑄造工藝流程如圖1所示。在熔模組(即蠟?zāi)＝M)表面上反復(fù)涂覆一層由耐火粉與有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑組成的漿料，然后撒一層耐火砂料，重復(fù)多次直至形成一定厚度的型殼，然后經(jīng)過(guò)型殼干燥、脫蠟、焙燒后澆注鈦合金，對(duì)脫殼后的鈦鑄件進(jìn)行一定的清理、檢驗(yàn)以及必要的熱處理[2]。

圖1　鈦合金熔模精密鑄造工藝流程Fig.1　The process of titanium alloy precision casting

由于熔融態(tài)下的鈦合金極其活潑，能夠與絕大多數(shù)耐火材料和氣體元素反應(yīng)，因此鈦合金熔模精密鑄造與其他合金鑄造相比，技術(shù)難度更大，硬件要求更高，必須滿(mǎn)足以下條件：①鈦是一種化學(xué)活性大的元素，因此與鈦熔體接觸的型殼面層材料必須具有高的化學(xué)惰性，在與熔融鈦合金接觸時(shí)不發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)；②鈦合金的熔點(diǎn)很高，達(dá)到 1 668 ℃，因此所選的型殼材料必須具有高的耐火度和抗熱沖擊性能，確保型殼澆注時(shí)在熔融鈦的高溫、高壓沖擊力作用下不軟塌、不碎裂；③為了防止型殼中吸附的氣體以及有機(jī)物、水分等在澆注時(shí)揮發(fā)而對(duì)鈦鑄件的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，并且為了進(jìn)一步提高型殼的強(qiáng)度，澆注前型殼必須進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的焙燒熱處理；④鈦的化學(xué)活性高，易與空氣中的 C、H、O、N 等發(fā)生反應(yīng)，因此鈦合金的澆注需要在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行；⑤鑄型與鈦合金熔融體之間的界面反應(yīng)要盡量小，冷卻凝固過(guò)程必須在真空下或惰性氣體保護(hù)氣氛下；⑥鈦合金鑄件的高溫?zé)崽幚?、焊接等工藝必須在真空或惰性氣體中進(jìn)行。

2　國(guó)外研究現(xiàn)狀

2.1研制水平

美國(guó)Howmet公司及PCC公司能澆鑄出730～770 kg的鈦合金工件。PCC公司可生產(chǎn)出直徑達(dá)2 m的大型鈦合金鑄件，鑄造尺寸公差可達(dá)±0.13 mm，最小壁厚達(dá)1.0～2.0 mm。美國(guó)采用離心澆注、熱等靜壓和BSTOA熱處理等綜合技術(shù)，獲得了高性能的Ti-6Al-4V合金大型復(fù)雜薄壁精鑄件，其靜力及疲勞性能達(dá)到了與鍛件相同的高水平。但大型復(fù)雜薄壁鈦合金鑄件的精密鑄造技術(shù)一直被西方少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，所以具體技術(shù)細(xì)節(jié)只能依靠我國(guó)自己研究、摸索、開(kāi)發(fā)。

2.2殼型材料研究

美國(guó) PCC公司是世界上最早用氧化物陶瓷熔模鑄型生產(chǎn)鈦合金鑄件的企業(yè)，所用的面層耐火材料為氧化釷(ThO2)。氧化釷耐火度高、強(qiáng)度好，對(duì)液鈦穩(wěn)定性好，但由于它具有放射性，目前已基本被淘汰。當(dāng)前，研究較多的氧化物陶瓷材料為ZrO2、Al2O3、Gd2O3、La2O3、Nb2O3、Y2O3、CaO。

2.3計(jì)算機(jī)模擬和仿真軟件開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，鑄造過(guò)程的充型和凝固計(jì)算機(jī)模擬取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，出現(xiàn)了許多用于分析鑄造過(guò)程充型和凝固行為的商業(yè)軟件，如Magma soft、ProCast、AnycastingTM等。Magma soft是德國(guó)Magma開(kāi)發(fā)的一款鑄造仿真軟件，可對(duì)鑄型的充填、凝固、機(jī)械性能、殘余應(yīng)力及扭曲變形等進(jìn)行模擬，為全面優(yōu)化鑄造工藝提供了可靠保證。ProCast是法國(guó)ESI公司開(kāi)發(fā)的鑄造過(guò)程的模擬軟件，已有20多年的歷史，提供了很多模塊和工程工具，滿(mǎn)足了鑄造工業(yè)最富挑戰(zhàn)的需求?；趶?qiáng)大的有限元分析，它能夠預(yù)測(cè)鑄件嚴(yán)重的畸變和殘余應(yīng)力，并能用于半固態(tài)成形、吹芯工藝、離心鑄造、消失模鑄造、連續(xù)鑄造等特殊工藝。AnyCastingTM是韓國(guó)AnyCasting公司自主研發(fā)的新一代基于Windows操作平臺(tái)的高級(jí)鑄造模擬軟件系統(tǒng)，是專(zhuān)門(mén)針對(duì)各種鑄造工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)的仿真系統(tǒng)，可以進(jìn)行鑄造的充型、熱傳導(dǎo)、凝固過(guò)程和應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析。AnyCastingTM軟件于1990年開(kāi)始商業(yè)化，可應(yīng)用于鈦合金熔模精密鑄造。

2.4熔煉技術(shù)的進(jìn)步

隨著科技的發(fā)展及生產(chǎn)的需要，研究人員相繼研究開(kāi)發(fā)了鈦合金熔煉的新方法、新裝備。其中，主要設(shè)備有真空自耗凝殼爐、電子束凝殼爐、等離子弧凝殼爐、真空感應(yīng)爐等，并已獲得一定程度的應(yīng)用。從耗電量、熔化速度、成本等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比來(lái)看，真空自耗凝殼熔煉仍是目前最經(jīng)濟(jì)適用的熔煉方法。這種凝殼爐是在真空自耗電弧爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是一種將熔煉與離心澆注連成一體的鑄造異形件的爐型，其最大特點(diǎn)是在水冷坩堝與金屬熔體之間存在一層鈦合金固體薄殼，即凝殼，這層鈦材質(zhì)的凝殼作為坩堝的內(nèi)襯，用于形成熔池儲(chǔ)存鈦液，避免了坩堝對(duì)鈦合金液的污染。澆注后，留在坩堝內(nèi)的凝殼可作為坩堝內(nèi)襯繼續(xù)使用[3]。

3　國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)60年代初開(kāi)始研究和發(fā)展鈦合金鑄造技術(shù)，最早開(kāi)展這項(xiàng)研究工作的是北京航空材料研究院。隨后寶雞有色金屬加工廠、沈陽(yáng)鑄造研究所、洛陽(yáng)船舶材料研究所等相繼開(kāi)展了這方面的研究。50多年來(lái),我國(guó)在鑄造鈦合金、鈦合金熔煉與設(shè)備及工藝、鈦合金鑄造工藝、鑄件的性能與應(yīng)用等方面作了大量的研究工作，取得了很大進(jìn)展。我國(guó)已經(jīng)研究和推廣應(yīng)用了ZTC4、ZTA7和ZTA15等航空航天工業(yè)用鑄造鈦合金，目前ZTC4、ZTA15在國(guó)內(nèi)武器裝備上的應(yīng)用已占鑄造鈦合金用量的80%以上。但國(guó)內(nèi)總體缺乏系統(tǒng)性研究，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足，尚未建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，技術(shù)成熟度低，工程化應(yīng)用水平低，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距。

3.1鑄型

鈦合金熔模鑄造開(kāi)始采用氧化物陶瓷鑄型、石墨鑄型、難熔金屬鑄型等，由于采用其他鑄型(石墨鑄型、難熔金屬鑄型)存在工藝技術(shù)復(fù)雜，面層耐火材料成本較高等問(wèn)題，已經(jīng)很少應(yīng)用。目前主要采用陶瓷型熔模鑄造鈦合金。該方法所用面層耐火材料主要是氧化鋯等金屬氧化物。粘接劑主要是醋酸鋯、釔溶膠、硅溶膠等。背層耐火材料、粘接劑與高溫合金熔模鑄造類(lèi)似。鑄型的高溫焙燒是關(guān)鍵工藝，只有通過(guò)高溫焙燒后，鑄型面層才具備高化學(xué)惰性和高強(qiáng)度。

陶瓷型熔模鑄造技術(shù)適合于批量精密成形鈦合金產(chǎn)品。鑄件最小壁厚能達(dá)到1 mm左右，最大尺寸1 000 mm左右，金相組織介于機(jī)加工石墨型鑄造和砂型鑄造之間，表面化學(xué)反應(yīng)層薄，粗糙度在3.2～6.3 μm之間，尺寸精度高，可達(dá)CT7級(jí)左右。主要用于航空航天、汽車(chē)、船舶、兵器等。

需要解決的主要問(wèn)題是：如何減少工序，縮短制造周期；如何降低成本；如何提高控形及控性的水平，進(jìn)一步減少機(jī)加量；如何提高航空航天用鑄件的可靠性和使用壽命。

3.2澆注技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)鈦合金鑄造的澆注成形工藝主要有重力澆注(靜止?jié)沧?和離心澆注兩種。

重力澆注工藝依靠澆注系統(tǒng)高度形成的靜壓頭作用，利用金屬液在重力作用下形成的流動(dòng)速度，充填鑄型，冷卻凝固成形。由于金屬液充型作用力只是重力，因此，鑄型在鑄造爐內(nèi)的安裝和拆卸簡(jiǎn)單，金屬液的充型更平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)順序凝固，對(duì)鑄型沖擊小，鑄型強(qiáng)度不需要太高；但是由于金屬液速度不可能太快，充型能力不好，對(duì)于大型復(fù)雜薄壁件成形困難。必須采用鑄型預(yù)熱、提高靜壓頭、多開(kāi)設(shè)澆口、提高金屬液過(guò)熱度等方法，來(lái)提高重力澆注的充型性。適合于較大壁厚的大中型環(huán)形和框架結(jié)構(gòu)件鑄造成形，應(yīng)用廣泛。

離心澆注工藝在澆注系統(tǒng)高度形成的重力靜壓頭作用之外，主要利用將鑄型固定在鑄造爐內(nèi)的離心盤(pán)上，使離心盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鑄型轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬液在離心力作用下高速流動(dòng)，快速充填鑄型，冷卻凝固成形。由于金屬液充型作用力是離心力和重力的耦合，因此，金屬液的充型速度遠(yuǎn)快于重力澆注，充型快速，充型能力好，適合于大型復(fù)雜薄壁件成形；但是由于金屬液充型速度太快，充型不平穩(wěn)，不易實(shí)現(xiàn)順序凝固，對(duì)鑄型沖擊大，鑄型強(qiáng)度要求高，鑄型容易產(chǎn)生跑火故障，且鑄型在鑄造爐內(nèi)的安裝和拆卸復(fù)雜。適合于小型件的一爐多件的成形，也適合于大中型環(huán)形或?qū)ΨQ(chēng)型薄壁結(jié)構(gòu)件鑄造成形，應(yīng)用也很廣泛。

3.3真空自耗電弧凝殼鑄造技術(shù)

真空自耗電弧凝殼鑄造技術(shù)是在真空或惰性氣體保護(hù)下，以鈦合金鑄錠為負(fù)極，以水冷銅坩堝為正極，通過(guò)起弧產(chǎn)生的熱量，熔化鈦合金鑄錠，使金屬液進(jìn)入坩堝中。圖2為真空自耗電弧凝殼鑄造設(shè)備示意圖及設(shè)備實(shí)物圖。

圖2　真空電弧自耗電極凝殼鑄造設(shè)備示意圖及實(shí)物圖Fig.2　Consumable electrode vacuum arc skull casting map and the physical map of equipment

在電弧的作用下，合金熔體產(chǎn)生攪拌效應(yīng)，熔體的成分更均勻、溫度差別減小。合金熔化完成后，坩堝翻轉(zhuǎn)，將金屬液倒入坩堝下方的鑄型中，采用重力澆注或者離心澆注實(shí)現(xiàn)鑄件成形。目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，技術(shù)最成熟，適合于大中小型鈦合金鑄件成形。

（1）PM2.5檢測(cè) PM2.5檢測(cè)使用DSL-03激光數(shù)字式PM2.5傳感器，內(nèi)置激光器和光電接收組件，運(yùn)用光的散射原理，激光在顆粒物上產(chǎn)生散射光，由光電接收器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)特定算法計(jì)算出PM2.5質(zhì)量濃度、PM10質(zhì)量濃度、PM0.3～PM2.5粒子個(gè)數(shù)、PM2.5～PM10粒子個(gè)數(shù)。通過(guò)檢測(cè)可判斷該區(qū)域是否適合出行活動(dòng)以及發(fā)出相應(yīng)預(yù)警。該傳感器具有體積小巧、安裝方便、檢測(cè)速度快、檢測(cè)數(shù)值穩(wěn)定準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.4熱等靜壓技術(shù)

鈦合金鑄件之所以能夠在航空航天飛行器上廣泛應(yīng)用，得益于熱等靜壓技術(shù)的發(fā)展。由于鑄造是一個(gè)液態(tài)金屬充型、冷卻凝固成形的過(guò)程，在液態(tài)金屬冷卻過(guò)程中，液相向固相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生收縮，會(huì)導(dǎo)致鑄件內(nèi)部特有的冶金缺陷，如縮松、縮孔、氣孔等，這些缺陷的存在降低了鑄件使用的可靠性和壽命，導(dǎo)致一開(kāi)始航空航天設(shè)計(jì)人員不敢大量使用鈦合金鑄件，制約了飛行器性能的改善和發(fā)展。隨著20世紀(jì)80年代熱等靜壓技術(shù)的引入，鈦合金鑄件內(nèi)部的縮松、縮孔、氣孔等封閉性缺陷大大減少，可靠性和使用壽命得以提高，越來(lái)越多的飛行器上開(kāi)始采用鈦合金鑄件。

熱等靜壓處理是將鑄件置入耐高溫高壓的容器中，通過(guò)抽真空，充入惰性氣體，加熱升溫升壓到一定溫度和壓力，保持一定時(shí)間。在各向等壓的高溫、高壓氣體作用下，鑄件內(nèi)部的封閉性孔洞缺陷被壓實(shí)閉合。目前熱等靜壓已經(jīng)是航空航天飛行器用鈦合金鑄件必須經(jīng)歷的一道工序。圖3為我國(guó)生產(chǎn)的大型熱等靜壓設(shè)備。

圖3　國(guó)產(chǎn)大型熱等靜壓設(shè)備Fig.3　Domestic large-scale hot isostatic pressing equipment

鈦合金鑄件熱等靜壓過(guò)程中需要注意的問(wèn)題是：①要嚴(yán)格控制溫度、壓力以及保持時(shí)間，確保缺陷消除；②關(guān)注鑄件的組織長(zhǎng)大和相變問(wèn)題，防止組織變化導(dǎo)致性能下降；③關(guān)注鑄件變形的控制。

3.5計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)

目前，我國(guó)的鈦合金鑄造也已經(jīng)引入了鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鑄件結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)和鑄件模具的三維設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)鈦合金鑄造的液態(tài)充型和凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)鑄件的縮孔、縮松、氣孔等缺陷分布位置，進(jìn)而優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)；同時(shí)，利用應(yīng)力模擬數(shù)值技術(shù)，可以預(yù)測(cè)鑄件變形位置，優(yōu)化鑄件防變形工藝。未來(lái)，鈦合金鑄造成形技術(shù)將引入對(duì)其制造全流程進(jìn)行模擬仿真，從而實(shí)現(xiàn)從合金制備到鑄件成形的全過(guò)程的組織、性能、成形的模擬仿真，最終使鈦合金鑄造從經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、多次物理實(shí)驗(yàn)迭代、長(zhǎng)周期、不準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)制造，躍升到模擬計(jì)算預(yù)測(cè)、少量物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、短周期、準(zhǔn)確設(shè)計(jì)制造。

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已在熔模鑄造工藝研究和優(yōu)化中得到普遍應(yīng)用。清華大學(xué)除了開(kāi)發(fā)出通用的模擬軟件外，還特別針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片、高溫合金機(jī)匣、TiAl 合金渦輪葉片等高端鑄件進(jìn)行模擬計(jì)算，輔助工藝優(yōu)化。哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)合鈦合金熔模鑄造工藝研究，實(shí)現(xiàn)了鈦合金充型和凝固過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬。華中科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的華鑄CAE系統(tǒng)也成功應(yīng)用于熔模鑄造過(guò)程模擬中。北京航空航天大學(xué)的韓昌仁等[4]建立了模料的粘度模型和模料充型的控制模型，模擬了蠟?zāi)５某湫瓦^(guò)程。圖4 是計(jì)算機(jī)模擬鈦合金熔體在鑄型中的充型過(guò)程。

圖4　計(jì)算機(jī)模擬鈦合金熔體在鑄型中的充型過(guò)程Fig.4　Computer simulation of filling process of titanium alloy melt in the mold

3.6檢測(cè)技術(shù)

大型復(fù)雜鈦合金鑄件往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間尺寸多，有的零件有上千個(gè)尺寸要求，傳統(tǒng)的劃線檢驗(yàn)很難檢測(cè)。在大型復(fù)雜鈦合金鑄件尺寸檢驗(yàn)上，國(guó)外常采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它是一種集光、機(jī)和電為一體的精密光學(xué)儀器。通過(guò)觸頭與鑄件的接觸，可獲得鑄件上各點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到被測(cè)物體的幾何尺寸。三坐標(biāo)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以測(cè)量復(fù)雜空間尺寸，但缺點(diǎn)是速度慢、成本高。近年來(lái)，關(guān)節(jié)臂三維掃描技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于鈦合金鑄件尺寸測(cè)量，極大地促進(jìn)了大型復(fù)雜鑄件的尺寸檢測(cè)能力提升，通過(guò)關(guān)節(jié)臂三維掃描，逆向形成鑄件實(shí)體三維模型，通過(guò)與設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行最佳擬合比對(duì)，了解鑄件的尺寸。與三坐標(biāo)相比，關(guān)節(jié)臂掃描速度快，整體復(fù)制能力強(qiáng)，結(jié)果更直觀，缺點(diǎn)是較深的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)無(wú)法掃描。所以現(xiàn)在通常的方法是多種測(cè)量技術(shù)結(jié)合檢測(cè)。

目前，鈦合金鑄件的射線探傷檢測(cè)主要分為常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)和數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)。常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)主要是指采用膠片完成的射線檢測(cè)技術(shù)，其對(duì)鈦合金鑄件尤其是大型復(fù)雜鈦合金鑄件檢測(cè)技術(shù)主要是正確劃分透照區(qū)域、正確確定射線檢測(cè)技術(shù)級(jí)別、正確確定透照電壓、選取適宜的膠片等，同時(shí)考慮到大型薄壁復(fù)雜整體精鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須考慮多壁透照、雙(多)膠片檢測(cè)技術(shù)、適當(dāng)?shù)纳⑸渚€防護(hù)措施以及采取專(zhuān)用的檢測(cè)工裝。數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)從20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始逐漸進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，分為三個(gè)部分：直接射線照相檢測(cè)技術(shù)、間接數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)、后數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)。

鈦合金鑄件的滲透探傷通常采用中高靈敏度的熒光滲透劑，這種方法對(duì)零件表面預(yù)處理要求高，否則容易產(chǎn)生偽顯示或缺陷漏檢。隨著鈦合金鑄件向大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化發(fā)展，對(duì)滲透探傷的配套設(shè)備也提出了更高的要求，如檢測(cè)設(shè)備的大型化、靜電噴涂設(shè)備及熒光內(nèi)窺鏡的應(yīng)用等。

4　發(fā)展趨勢(shì)

目前隨著先進(jìn)的微觀組織控制技術(shù)、熔體溫度處理技術(shù)、定向凝固技術(shù)、細(xì)晶鑄造技術(shù)、熱處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的不斷涌現(xiàn)及持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)著大型復(fù)雜薄壁鈦合金熔模鑄件制造工藝的改進(jìn)，使其朝著過(guò)程可控，事先設(shè)計(jì)規(guī)劃、模擬試驗(yàn)、產(chǎn)生方案，事中控制修正、減少?gòu)U品率的方向發(fā)展進(jìn)步。具體有下列幾個(gè)研究方向。

(1)加強(qiáng)熔模鑄造工藝的理論研究。熔模鑄造工藝從蠟?zāi)５闹苽?、型殼的制作和焙燒到熔煉澆注鑄件是個(gè)環(huán)環(huán)相扣的“精密鏈條”，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致鑄造失敗。而熔模鑄造的每一個(gè)環(huán)節(jié)本身都是個(gè)復(fù)雜的加工過(guò)程。 因此，深入研究并掌握工藝現(xiàn)象發(fā)生的本質(zhì)原因，是對(duì)工藝結(jié)果進(jìn)行掌控的重要基礎(chǔ)[4]。

(2)深化鈦合金設(shè)計(jì)方面研究,探索性能更高的適用于制造大型復(fù)雜薄壁鑄造件的鈦合金[5]。

(3)深入研究純凈化技術(shù)，以及夾雜和鑄造缺陷與性能之間的定量關(guān)系。

(4)建立型殼模型庫(kù)。積極開(kāi)展電子信息技術(shù)與鈦合金鑄造技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新。通過(guò)進(jìn)一步研究型殼材料的制備工藝，完善材料組分、制備方法，通過(guò)計(jì)算模擬掌握規(guī)律，建立型殼模型庫(kù)。在澆冒階段積極吸收國(guó)外成熟軟件技術(shù)并結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)建立信息庫(kù)，首先選擇幾種有針對(duì)性的類(lèi)型，建立起比較成熟的澆冒模型，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定成品率高的解決方案，再在實(shí)際工作中不斷加以修正，適應(yīng)千差萬(wàn)別的客戶(hù)需求。

(5)研發(fā)機(jī)器自動(dòng)涂浸漿料與撒砂工藝。目前，由于大量使用人工操作，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，因此研究設(shè)備自動(dòng)化是一個(gè)發(fā)展方向，也是提高成品率與經(jīng)濟(jì)效益的必然選擇。

(6)加強(qiáng)全過(guò)程的質(zhì)量管理與控制。實(shí)現(xiàn)全過(guò)程質(zhì)量可控，不斷采用檢測(cè)設(shè)備對(duì)澆冒前后的工序進(jìn)行檢測(cè)，保證包括蠟?zāi)?、型殼、澆冒、去殼等全過(guò)程質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化，不把帶有瑕疵的產(chǎn)品流到下一道工序，減少后續(xù)修補(bǔ)工作量并減少不必要的浪費(fèi)，提高產(chǎn)品的成品率，增強(qiáng)國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

(7)高度關(guān)注3D打印技術(shù)在鈦合金制造領(lǐng)域的發(fā)展及其在鈦合金熔模鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用。增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)是采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，也稱(chēng)“快速原形制造(Rapid Prototyping)”、“三維打印(3D Printing )”技術(shù)，始于20世紀(jì)90年代，目前已經(jīng)可以制作復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，但往往限于非金屬材料成形，直接制造金屬零件尚有困難，而在熔模鑄造的蠟?zāi)Ｖ圃熘?，設(shè)計(jì)和制造模具的時(shí)間和成本投入較大，兩者的結(jié)合成為業(yè)界的一個(gè)熱點(diǎn)?？焖僭渭夹g(shù)可用來(lái)首先獲得一個(gè)零件的高分子材料模形，再利用翻制硅橡膠模等手段，制作壓制蠟?zāi)５哪＞?，也有直接制造蠟?zāi)５燃夹g(shù)路線[4]。目前，中國(guó)航天科工集團(tuán)公司已經(jīng)大量開(kāi)展了噴粉激光熔覆成形(LSF)、激光熔覆連接組合制造、鋪粉電子束成形(EMB)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成形(FDM)等 3D 打印技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。其中，LSF 達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，涉及的主要材料包括鈦合金、高溫合金、鋁合金、硬質(zhì)合金以及碳纖維復(fù)合材料、聚醚醚酮、尼龍等非金屬材料[6]。當(dāng)前，3D 打印雖然在制造少量產(chǎn)品時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，但由于設(shè)備成本較高，制造的產(chǎn)品強(qiáng)度與性能還有待進(jìn)一步提升等原因，限制了這一技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。然而3D打印技術(shù)在鈦合金的制造領(lǐng)域卻發(fā)展迅猛，隨著技術(shù)更加成熟、工藝設(shè)備價(jià)格下降，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景將不可估量。

[1]石衛(wèi)民,王青江,劉建榮，等.Ti60高溫鈦合金環(huán)材組織與性能的研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2010,27(1):32-35.

[2]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.

[3]李毅.大型復(fù)雜薄壁Ti-6Al-4V合金熔模精密鑄造工藝研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2012,29(3):22-25.

[4]呂志剛.我國(guó)熔模精鑄的歷史回顧與發(fā)展展望[J].鑄造，2012(4)：347-356.

[5]戚運(yùn)蓮,曾立英,侯智敏.硼對(duì)TC4/B鈦合金鑄造組織與性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2012,29(6):15-18.

[6]劉思燕,胡志堅(jiān),魏翔飛.3D打印:如何推動(dòng)航天制造轉(zhuǎn)型升級(jí)——中國(guó)航天科工集團(tuán)公司 3D 打印技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)調(diào)查[N].中國(guó)航天報(bào)，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

趙瑞斌(1974—),男，工程師。