一、概述

鈦及鈦合金的鑄造可以直接制造形狀復(fù)雜的零件，免去大量的機(jī)械加工工序，提高材料的利用率。一般鑄件利用率為45%，精密鑄件則可達(dá)75%~90%，這對(duì)價(jià)格較貴的鈦及鈦合金來(lái)說(shuō)尤為重要。

我國(guó)鈦鑄造開始于1964年。寶鈦集團(tuán)于1965年從日本引進(jìn)了25kg的真空凝殼爐，并開始了以純鈦、TC4為主的鈦鑄件的生產(chǎn)，為冶金、化工、輕工等部門提供了多種型號(hào)和規(guī)格的泵、閥、彎頭、醫(yī)用人工關(guān)節(jié)和船用螺旋槳推進(jìn)器等。目前，寶鈦集團(tuán)鑄造產(chǎn)業(yè)擁有鑄造、制模、制殼、澆注等幾條專業(yè)化生產(chǎn)線，已經(jīng)形成比較完善的機(jī)加石墨型鈦鑄造和精密鑄件生產(chǎn)體系，其生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際水平，產(chǎn)品可滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)的要求。沈陽(yáng)冶金研究所20世紀(jì)60年代開始從事鑄造研究和生產(chǎn)，擁有100kg真空自耗電極凝殼爐。北京航空材料研究院(621所)是我國(guó)最早開展鈦合金熔模精鑄的單位，早在1964年就自行設(shè)計(jì)、建造了5kg真空自耗電極凝殼爐，并對(duì)鈦合金的精密鑄造進(jìn)行了大量的研究，試制成功了發(fā)動(dòng)機(jī)用的空心葉片、葉輪、支座等多種鈦合金精密鑄件。該所研制的高精度陶瓷型精鑄件工藝生產(chǎn)的精鑄件，精度、粗糙度達(dá)到或接近國(guó)際水平，向體育用品市場(chǎng)提供了大量的高爾夫球頭精鑄件。沈陽(yáng)鑄造研究所自1993年開始鈦的精密鑄造，采用鈦合金熔模鑄造生產(chǎn)出的精鑄件的表面粗糙度為3.2~3.6μm，表面污染層0.015~0.2mm。沈陽(yáng)鑄造所還研究了造價(jià)低的鋯砂型鑄造工藝，表面污染層為0.09mm，鋯砂型的綜合成本比石墨粉搗實(shí)型低 50%~60%。

鈦合金化學(xué)活性高，在熔融狀態(tài)下能與幾乎所有的耐火材料和氣體發(fā)生反應(yīng)，大大增加了鑄造的困難。因此，鈦合金鑄造工藝的發(fā)展所遇到的困難比鋼、鋁、鎂都多。鈦合金在鑄造過(guò)程中，其熔化和澆注都必須在惰性氣體保護(hù)下或真空中進(jìn)行。常用的設(shè)備有真空自耗電弧凝殼爐等，并且應(yīng)使用強(qiáng)制冷卻的銅坩堝，不能使用普通耐火材料制成的堝?？刹捎檬珦v實(shí)型等鑄鈦造型方法，也可用離心法澆注。

二、鈦及鈦合金鑄造性能

鑄造性能是鈦合金作為鑄造材料的特征，它由鈦合金的成分和鑄造工藝所決定，設(shè)計(jì)鈦鑄件時(shí)必須充分考慮這些性能。

1.流動(dòng)性

流動(dòng)性表示熔融金屬流入鑄型澆道和充填鑄型的能力。

熔融金屬填充鑄型是一個(gè)復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)過(guò)程。評(píng)定流動(dòng)性必須考慮到以下方面。

① 鑄造合金的性能 包括液態(tài)金屬的熱物理性能、結(jié)晶特性、黏度、密度和氧化程度等。

② 鑄型性能 包括熱物理性能、潤(rùn)濕性能、表面粗糙度、孔隙度和化學(xué)反應(yīng)特性。

③ 熔煉和澆注條件 包括金屬過(guò)熱度、澆注速度、澆注方式和熔鑄氣氛等。

2.填充性

填充性是指金屬和合金精確地復(fù)制鑄型輪廓，特別是復(fù)制薄截面輪廓的能力。

鑄件薄截面的充填與尖銳輪廓的精確復(fù)制，在很大程度上取決于毛細(xì)管效應(yīng)，因此，液體金屬的表面張力和對(duì)鑄型潤(rùn)濕性能，是決定填充性的兩個(gè)重要因素。

填充性與流動(dòng)性一樣，是金屬的兩個(gè)不同的鑄造性能。它們之間存在聯(lián)系，在有毛細(xì)管效應(yīng)的小截面與尖角處，反映填充性的表面張力，與合金流動(dòng)和填充鑄型能力存在一定的一致性；而在另外情況下，表面張力與流動(dòng)性之間就不會(huì)有直接聯(lián)系了，填充性是在制造薄壁鑄件和精密鑄件時(shí)選擇合金的主要準(zhǔn)則之一。因此，鑄造這類鑄件，只按流動(dòng)性選材是不合適的。在很多情況下，盡管合金的流動(dòng)性完全相同，但充滿薄壁鑄件的能力卻往往相差很大。

對(duì)液鈦表面張力的研究表明，合金元素對(duì)表面張力具有很大的影響。添加鋁、鋯、錫和鈮，能促使鈦合金表面張力的提高，但含量達(dá)到一定程度，鈦-鋯和鈦-錫合金的表面張力就開始下降。一般說(shuō)來(lái)，與鈦形成置換固溶體的合金元素，可以提高液態(tài)的表面張力。

用真空垂滴法測(cè)量Ti-5A1合金的潤(rùn)濕角的結(jié)果表明，在所研究的石墨、電熔剛玉、電熔鎂砂和氧化鋯等耐火材料中，石墨與鈦的潤(rùn)濕性能是最好的，尤其當(dāng)石墨型預(yù)熱至800℃時(shí)，熔融鈦在它上面形成很薄的一層，甚至潤(rùn)濕角都很難測(cè)量出來(lái)。在以上耐火材料中，氧化鋯的潤(rùn)濕性最差。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以認(rèn)為，任何元素的添加，都將使鈦的填充性變差。在一定范圍內(nèi)，隨著添加元素等的含量增加，填充性能隨之下降，并且發(fā)現(xiàn)錳、硅和鐵等元素影響很大。除表面張力與潤(rùn)濕性外，熔融金屬的黏度對(duì)填充性也有一定影響。液體金屬黏度受很多因素影響，其中包括合金的熱物理性能。合金的結(jié)晶特性，包括結(jié)晶溫度間隔、初晶粒的形狀和尺寸等，也均對(duì)填充性存在影響。反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體，阻礙了鈦鑄件薄壁部位的填充與尖銳輪廓的復(fù)制。填充性在很大程度上還取決于澆注方法。離心澆注是改善鈦合金薄壁鑄件的填充性的最有效方法

3.收縮與縮孔

金屬及合金的收縮，體現(xiàn)在金屬?gòu)囊簯B(tài)冷卻至低溫時(shí)體積上與線性尺寸上的變化。金屬收縮一般分為液態(tài)金屬收縮、凝固時(shí)的收縮和固態(tài)下的收縮三個(gè)階段。金屬的體收縮為以上三部分的總和。線收縮是鑄件從線收縮起始溫度（即鑄件形成硬的結(jié)晶骨架的溫度）繼續(xù)冷卻到室溫的尺寸變化。

鑄造鈦合金凝固期內(nèi)的收縮與結(jié)晶間隔、冷卻速度及氣體析出情況有關(guān)，隨著結(jié)晶間隔的增加，凝固期內(nèi)的收縮顯著增加。

鈦合金的縮孔體積和形狀與鑄件形狀及合金種類有關(guān)。結(jié)晶間隔小和流動(dòng)性高的共晶合金，形成集中縮孔；而結(jié)晶間隔大和流動(dòng)性低的合金，多半形成分散的縮松。工業(yè)純鈦的集中縮孔為1%左右。合金元素對(duì)集中縮孔體積具有較大的影響。當(dāng)合金的合金元素含量＜10%時(shí)，集中縮孔在0.5%~1.5%范圍內(nèi)變動(dòng)。

由于鈦合金鑄件過(guò)熱度低，靜止?jié)沧r(shí)壓頭小，相對(duì)來(lái)說(shuō)它的補(bǔ)縮距離比較短，冒口作用范圍小，這就使得鈦鑄件傾向于形成二次縮孔和分散的縮松。提高鈦合金補(bǔ)縮距離的最有效方法是斜度補(bǔ)貼法。

4.形成氣體缺陷的傾向性

容易產(chǎn)生氣體是鈦合金鑄造的特點(diǎn)之一，鈦屬活潑金屬，對(duì)氣體的親和力很大，在熔煉澆注過(guò)程中，熔融鈦吸收氣體的來(lái)源很多，歸納起來(lái)有：①爐料中含有的吸附氣體；②真空度不高時(shí)爐內(nèi)的殘余氣體和漏氣時(shí)進(jìn)入爐內(nèi)的氣體；③吸附在爐膛表面與爐內(nèi)夾具上、熔煉澆注時(shí)受輻射熱或金屬飛濺加熱釋放出來(lái)的氣體；④熔融鈦?zhàn)⑷腓T型時(shí)，釋放出的原吸附于鑄型表面上的氣體，以及金屬與鑄型材料反應(yīng)生成的氣態(tài)產(chǎn)物。

鈦合金氣孔可分為外來(lái)氣孔與析出氣孔。外來(lái)氣孔是在澆注時(shí)鑄型放氣或液態(tài)與鑄型材料反應(yīng)生成氣體產(chǎn)物而造成。析出氣孔是由熔融鈦冷卻凝固時(shí)溶解在金屬中的氣體析出而產(chǎn)生。

鈦合金鑄件產(chǎn)生氣體缺陷的程度與澆注溫度有關(guān)。鈦合金澆注溫度低，在鑄件中容易形成較多的氣體缺陷，并且在鑄件上部比較嚴(yán)重。隨著澆注溫度的升高，氣體缺陷有所下降，但在一定條件下，過(guò)高的溫度使得液鈦與鑄型反應(yīng)加劇，使鑄件氣體缺陷變得更為嚴(yán)重。

鈦合金熔煉澆注爐內(nèi)殘余壓力對(duì)鑄件氣體缺陷也具有重要的影響。這種壓力不利于坩中鈦液的除氣，也阻礙了鑄件中氣泡浮出與排除。當(dāng)然，在較高壓力下澆注與凝固，可抑制氣泡生核與長(zhǎng)大。因此鈦合金最理想的熔煉鑄造方式是：在真空下熔煉，在高壓下澆注凝固。

真空凝殼熔煉澆注工藝不利于消除鈦鑄件的氣體缺陷，這一方面是由于金屬熔煉除氣的能力較?。涣硪环矫嬗捎阼T件在真空下凝固，促進(jìn)了氣泡的長(zhǎng)大。目前，消除鈦鑄件氣體缺陷最有效的辦法有：鑄型真空除氣；保證鑄型有良好的透氣性，在澆注系統(tǒng)中設(shè)置合理的排氣道；離心澆注，也可以采用壓力鑄造方法。

5.抗裂性

鑄件在凝固冷卻過(guò)程中由于收縮、相變與鑄件不同部位的溫差所引起的鑄造應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。這種裂紋一般分為熱裂紋與冷裂紋。熱裂紋是在固相線附近形成，冷裂紋則在比結(jié)晶溫度低得多的彈性變形區(qū)內(nèi)形成。

鈦及鈦合金最突出的特點(diǎn)是具有較高的抗熱裂的特性，甚至采用無(wú)退讓性的石墨型芯時(shí)，也能獲得無(wú)熱裂的鈦鑄件。

表面裂紋是鈦鑄件最常見的缺陷，按其形態(tài)及形成條件，表面裂紋應(yīng)屬于冷裂紋。采用加工石墨型澆注鈦鑄件時(shí)，特別容易產(chǎn)生表面裂紋。為了消除表面裂紋，最好采用導(dǎo)熱性低、熱容小的鑄型，如搗實(shí)型與陶瓷熔模型。提高鑄型預(yù)熱溫度和降低金屬澆注溫度，也是減少裂紋的有效措施。

“α”脆性層的存在使鈦合金鑄件容易產(chǎn)生表面冷裂紋，為了消除冷裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的危險(xiǎn)，鈦鑄件出廠前，必須進(jìn)行吹砂、酸洗處理，徹底去除“α”脆性層。

6.鑄造表面特性

鑄造表面形成的特性取決于復(fù)制鑄型表面輪廓的能力（粗糙度、機(jī)械黏砂），形成宏觀平面度（冷隔、流痕）的傾向，以及與鑄型起化學(xué)反應(yīng)的傾向（鑄疤、“α”脆性層、化學(xué)黏砂）。

鑄造表面質(zhì)量通過(guò)表面粗糙度（顯微平面度）和宏觀平面度來(lái)衡量。鈦合金鑄件另一重要的表面質(zhì)量特性是“α”脆性層的厚度。