为满足航空航天飞行器升级换代对高机能金属结构件的需要，零部件出产技术和资料不休进取改革[1] 。钛合金具备密度低、比强度高、耐侵蚀强和耐高温性等个性，被宽泛利用于航空航天领域的关键承力结构件，且使用量不休增长[2-3] 。然而，钛合金零件出产过程中存在切削力大、易磨损等问题，导致加工效能低、成本高[4]，限度了钛合金零部件在低空飞行器、刀兵船舶领域的推广利用 。熔模精密铸造技术是解决大尺寸、薄壁、复杂结构钛合金构件一体化成型难题、降低造作成本的有效伎俩[5] 。
熔模精密铸造技术从我国传统的失蜡法发展而来，从20世纪60年代起头，美国最早发展了钛合金熔模精密铸造技术开发和优化工作，首先将钛合金熔模精铸件利用于低承力的非关键静止结构件上，如发起机罩、隔板、油路导管等；随着精密铸造技术的不休进取，钛合金精铸件机能不休提高，逐步利用于发起机机匣等关键承力结构件 。经过数十年的发展，当前航空航天工业中90%以上迪胙合金铸件出产均选取熔模精密铸造技术 。
在钛合金熔模精密铸件质量节造中，重要难点在于状态尺寸和缺点节造，钛金属在高温下化学活性极高，容易与坩埚、型壳产生反映，大量放气或欠铸，导致产品报废 。铸件状态和尺寸节造涉及到蜡模变形、型壳变形分裂、铸件凝固变形、热处置/热等静压变形、焊接变形等，铸件缺点节造涉及到资料个性、浇注系统设计、？亲柿霞肮ひ铡⒔阶⒐ひ蘸秃蟠χ霉ひ盏 。在高机能钛合金资料开发方面，重要难点在于若何同时两全合金的高铸造机能和高使用机能 。
随着航空发起机压气机使用温度升高，ZTC4钛合金已无法满足航空航天零部件日益提高的耐高温力学机能需要，因而必要开发550~650℃高温铸造钛合金，同时解决合金焊接开裂的工艺难题，提高热强性和热不变性[6] 。钛合金的铸造机能和力学机能很大水平上受合金成分影响，通过成分优化可实现高铸造机能和高力学机能迪胙基合金资料，从而满足精密铸件需要[7] 。
目前，航空航天飞行器结构件逐步向大型化、整体化、薄壁化发展，我国已突破航空发起机中介机匣、圆转方机匣、油箱骨架等钛合金精密铸件，具备出产Φ1500mm以上大尺寸、薄壁、复杂结构钛合金精铸件的能力，随着冶金质量和尺寸节造能力提升，未来钛合金精密铸件利用远景辽阔 。但是，我国迪胙合金精密铸造技术起步较晚，与美英等西方国度航空航天业几十年来堆集的先进技术相比，在出产能力、成本节造和交付周期等方面均有很大差距，这也导致我国钛合金精密铸件在国际航空航天供给链中占比力幼，钛合金精密铸件市场被美国PCC等企业持久垄断 。
航空航天是精密铸造最主题的市场，占据了约39%的市场份额，拉动了50%的增量需要，未来的市场竞争也将越发强烈 。
当前，我国航空航天产业处于急剧发展阶段，国产化在近年盘根错节的国际大势下加快推动，预计未来国内航空航天产业精密铸造市场总需要量将突破千亿，其中钛合金精密铸造市场将超过100亿元，而目前国内各家钛合金精密铸件产值不超过25亿元，未来我国钛合金精密铸造还有很大的发展空间 。本文综述了近年来钛合金精密铸造在航空航天领域的利用近况，介绍了国内表钛合金精密铸造工艺发展、资料开发和产品利用，总结了目前存在的问题并提出了瞻望，本文可为提高国产钛合金精密铸件质量和市场竞争力提供肯定的领导 。
1、钛合金精密铸造工艺发展
近年来，随铸件质量需要提高和精密铸造设备升级，钛合金精密铸造已向结构一体化、成形精确化与过程节造智能化发展 。如图1所示[8]，钛合金熔模精铸件的出产流程重要有蜡模造作-？窃熳-熔炼浇注-后处置 。首先，将推算机辅助设计软件设计的铸件模型用模具（或增材造作设备）造作出蜡模，在其表表包裹多层耐火资料形成？，加热？鞘估诹鞒；而后，通过高温使？巧战崽沾苫，将溶解迪胙合金液体浇注到？悄，待金属液凝固并冷却后粉碎？，取出铸件及浇注系统；最后，对铸件及浇注系统进行切割浇冒系统、吹砂打磨、检测、酸洗、建补等后处置工艺后，获得最终铸件产品 。对于大型复杂异构件的熔模精密铸造技术研发，工艺流程则更为复杂，对前期浇注系统及铸造工艺设计、造模设备、？枪ひ铡⑷哿渡璞傅囊笠哺 。如表1所示，与其他精密成形技术相比，钛合金精密铸造技术拥有短流程、低成本、高精度、一体化的特点 。
1.1造模工艺发展
造模工序作为精密铸造最前端的出产环节，蜡模质量对后续工艺流程和最终铸件质量有底子性的影响 。蜡模尺寸超差对铸件尺寸超差的影响显著，压型-蜡料、蜡模-陶瓷铸 型、陶瓷铸型-合金三类变形系统的尺寸变动法规如图2所示[9] 。随着石油化工、数控技术和推算机辅助设计的发展，蜡模资料及其模型出产工艺在近年来不休改进创新 。在蜡模料方面目前重要有蜡模料石蜡系和树脂系两种，为提升其环境抗力、强度和尺寸精度等机能，必要参与一些增长剂形成混合物 。在模型出产工艺方面，为提升产品研发效能，蜡模出产已从传统的冲压成型发展到3D打印与模具冲压成型相结合 。
很多学者对蜡模料配方进行了钻研，改进蜡模料的机能 。尤畅等[10]钻研了分歧增长剂改性松香和PE1000对石蜡-硬脂酸二元蜡模料机能的影响，随改性松香含量上升，固态蜡 料抗弯强度及熔点降落，石蜡-硬脂酸中改性松香和聚乙烯质量分数都为5%时，获得综合机能最佳，抗弯强度、针入度、系统均质性、软化温度区间得到极大改善 。程姣姣[11] 钻研了光敏树脂、聚苯乙烯及蜡类熔模粗糙度、变形度和水性涂料的涂覆机能，发现光敏树脂模蜡模表表粗糙度最幼、尺寸变形度也最 ；聚苯乙烯模表表润湿成效最优，光敏树脂模最差，光敏树脂经表表活化处置后可达到30~45mg/cm2涂层厚度 。
目前，造蜡模技术已从模具冲压成型转变为增材造作与模具冲压成型相结合的局面 。传统的造蜡模步骤是将熔融蜡料注入金属模具中成形，这必要定造金属模具，单一产品对应 专门模具，模具出产周期长、适应性差、容错率低、成本高 。随着铸件产品型号迭代速度加快，开发金属模具的模式无法适应大量新产品的研发 。
为满足新铸件产品的急剧开发需要，近年来鼓起了急剧铸造技术，该技术将急剧成形技术与传统铸造技术相融合 ＜本绯尚渭际踔匾糜诶！⑿托竞湍？窃毂，其中，急剧成形蜡模重要是利用增材造作技术使特殊的蜡料相互粘接或直接固化，而后再使用传统的造壳、浇注和后处置工艺出产出钛合金精密铸件[12] 。推算机辅助设计的增材造作技术极大地缩短了新产品蜡模设计、造作周期，从而有效地缩短了新产品交付周期 。目前，针对造蜡模的增材造作技术有激光立体光固化（Stereo lithography appearance，SLA）、选区激光烧结（Selective laser sintering，SLS）、三维打 。═hree dimensional printing，3DP）和分层实体造作（Laminated object manufacturing，LOM）等，图3 所示为4种常用的蜡模增材造作技术示意图[13] 。如表2所示[14]，分歧的增材造作技术优弊端各不一样，现实出产过程中往往会结合产品需要进行选择 。目前，航空航天复杂结构件研发已大量选取激光立体光固化和树脂微滴喷射技术出产蜡模，树脂微滴喷射技术面层扫描速度较快、精度高，适配中幼型铸件的蜡模造备；激光立体光固化技术出产的蜡模表表光洁度高、强度高、造壳难度低[15]，适配大型铸件的蜡模造备 。
1.2造壳工艺发展
决定熔模铸件质量的关键在于型壳的造备，面层？怯虢鹗粢褐苯咏哟，其机能凹凸决定了铸件质量的曲直 。这是由于钛合金的浇注温度在1600℃以上，金属液与？俏露炔羁纱1000℃，即便将浇注速度节造得足够慢，浇注时金属液仍会对面层型壳产生很大的热冲击 。然而，？亲芴迩慷炔荒芄，通常要求？强赡茉诮鹗粢耗坦讨兄鸩椒至选 溃散，削减对铸件的约束，降低铸件内应力、抑造开裂等问题 。此表，若型壳面层粗糙度节造欠安，会传导至铸件的表表质量，增长后处置工序，严沉降低出产效能 。因而，面层不仅要有优良的抗热震性预防开裂，同时必要有肯定的溃散性，此表还要保障面层粗糙度可能匹配产品表表粗糙度需要 。通过？亲柿吓浞接呕捌湓炜枪ひ，开发可实现高机能？窃毂 。
表3所示为分歧型壳面层资料的优弊端对比[16-22] 。目前，钛合金熔模精铸件的？侵匾强扇苄越鹗粞趸锷战岫傻哪突鹛沾尚涂，其中ZrO2和Y2O3利用最为宽泛，航空航天熔模精密铸件出产大多选取这两种金属氧化物作为耐火资料 。与石墨耐火资料和难熔金属资料相比，耐火陶瓷型壳的传热效能更低，浇注过程中金属液不易产生激冷效应，从而更好地抑造铸件表表形成微裂纹、冷隔、流痕、裂纹等缺点 。此表，通过？强匚吕淙春徒阶⒐ひ詹问呕，节造铸件冷却速度，能够预防开裂问题 。通过优选耐火陶瓷面层配方和造备工艺，可能保障铸件的表表粗糙度和尺寸精度要求 。另表，有学者发展了耐火陶瓷和金属复合铸型钻研 。
沈阳铸造钻研所陈晓明等[22]选取等离子喷涂法将氧化钇粉末涂覆至模具钢铸型表表，造备了陶瓷/金属复合铸型，用于浇注ZTA15合金舵轴铸件，表表质量优于同类石墨型铸 件，铸件内部缺点、表表质量、化学成分、力学机能均切合技术要求 。；康萚23]对比钻研了氧化钇涂覆球墨铸铁复合铸型和球墨铸铁铸型浇注的ZTC4和ZTA2铸件，复合铸型的铸件内部缺点好于球墨铸铁铸型，而表表扩散层厚度相当 。
1.3熔炼浇注工艺发展
近几十年来真空冶炼和浇注设备迭代升级，钛合金熔炼浇注工艺也不休创新，数字化、自动化和可视化浇注得以实现，铸件冶金质量不休提升 。钛合金的真空熔炼技术已发展美满，目前熔炼和铸造钛脊合金的设备重要有真空自耗电极电弧凝壳炉、等离子电弧炉、电子束凝壳炉和感应悬浮熔炼炉等，熔炼炉的熔炼步骤如图4所示[24-25] 。凝壳炉的根基道理是，在真空环境中，借助直流电弧的电流把钛合金自耗电极进行高温加热，形成熔池沉新熔炼 。目前，绝大部门航空航天钛合金精密铸件出产均选取真空自耗凝壳炉熔炼浇铸，凝壳炉与浇注装置集成，实现母合金沉熔后立即起头铸件浇注 。
从20世纪30年代起头，列国起头对真空感应水冷铜坩埚凝壳炉、悬浮熔炼炉及其熔铸工艺进行钻研及利用 。图5所示为几种典型的大型钛合金真空熔铸设备 。水冷铜坩埚 凝壳炉道理为利用电磁感应在金属内产生涡流加热炉料来进行熔炼，已被证明是一种有发展前途迪胙合金铸造熔铸设备及工艺 。与真空自耗电极电弧凝壳炉相比，其拥有原资料 状态要求低、无需造作电极、合金成分和熔池温度均匀、高纯净无同化、可在熔炼过程中增长合金元素、熔池保温功夫长蹬着点 。感应悬浮熔炼炉在凝壳炉的基础上，还增长了磁场对金属液的强烈搅拌作用，有助于进一步提高炉料的均匀性，近年来随着高质量合金需要不休增长，感应悬浮熔炼技术利用越发宽泛[26] 。目前，感应悬浮熔炼炉可浇注的金属量有0.5kg、5kg、20kg和50kg级4种，使用最多的是20kg级感应悬浮熔炼炉，可用于幼尺寸钛合金精密铸件的批量化出产 。国内里国科学院金属钻研所、北京航材院、沈阳铸造所和沉庆两航等单元已具备50kg级大型感应悬浮熔炼铸造能力，可发展最大尺寸为Φ600mm迪胙合金铸件研发及批产 。
在铸造工艺方面，沉力铸造和离心铸造是航空航天领域最常用迪胙合金熔模铸造技术，已大量利用于造作叶轮、舱体、机匣等关键结构件[27-30] 。
通常沉力铸造结构件的均匀硬度大于离心铸造，且沉力铸造机匣强度高，本体组织更为藐幼，但对于低流动性合金和复杂型腔铸件的浇注，必要更高的浇注温度和更大的辅助浇 注系统，容易导致浇注跑火风险升高、铸件表表质量降落、晶粒粗壮、出品率低 。离心铸造能够提凹凸流动性钛合金填充复杂型腔的能力，实现低过热温度浇注，获得机能优异、齐全充型的复杂薄壁钛合金铸件 。但是，离心浇注对离心工装、？乔慷纫蠼细，还有较大的成吩飓析风险 。目前，选取沉力铸造和离心铸造迪胙合金铸件尺寸不休增大，从最大概括尺寸Φ900mm以下的发起机机匣，发展到离心铸造出产最大概括尺寸1600mm以上、最幼壁厚1.5mm以下迪胙合金异形结构件；沉力铸造可出产最大概括尺寸2500mm以上的整体钛合金机匣 。
仿照仿真是提升铸造工艺水平的有效伎俩 。在钛合金熔模精铸件产品研发和改进阶段，由于单次熔炼浇注的功夫和资料成本高，为获得最佳工艺参数、提升浇注成功率，在现实浇注前会利用Procast、MagmaSoft、AnyCasting、华铸CAE等软件对浇注过程进行仿照仿真，获得欠铸、缩孔、气孔等缺点在铸件中的散布情况 。凭据仿照了局，对浇注系统结构设计和熔炼浇注工艺进行优化迭代 。刘云超等[18]选取仿照仿真软件优化了ZTi60钛合金大型构件熔模精铸工艺，获得了齐全成形铸件，无欠注跑火、表表质量好、机能满足要求 。贾国成等[29]通过仿照仿真设计并优化了倾斜式离心铸造工艺，削减了铸件内部的缩孔缺点和表表流痕缺点 。仿照仿真工艺设计+现实浇注验证已成为钛合金精密铸造行业的沉要技术开发步骤，有效降低了大型钛合金精密铸件的研发成本 。但是，目前存在钛合金物性参数不及、工艺参数丈量难和节造难等问题，国内精密铸造仿照仿真了局与现实浇注了局的吻合度不高，尤其是对于选取新型钛合金的新型铸件产品，仍重要依附现实浇注验证模型设计和铸造工艺 。
1.4铸造后处置工艺发展
（1）热处置工艺 。
固然选取陶瓷型壳浇注迪胙合金铸件内应力较幼，但为了提高强度/塑性，保障铸件装置和使用时不产生变形或开裂等问题，往往还必要进行热处置 。与锻件热处置类似，固 溶加热温度和冷却速度是影响钛合金铸件机能的关键参数 。针对α?+?β型钛合金铸件，通常选用两相区下部温度退火，削减铸件内应力，可为热等静压和焊接做前处置；加热温度不宜超过β单相区，不然会引起β相晶粒急剧长大，晶界α粗化，严沉降低强塑性 。ZTC4钛合金去应力退火温度在500~600℃，退火温度为700~800℃[31] 。通常迪胙合金铸件不进行固溶时效处置，进行固溶处置的铸件固溶温度也在α?+?β两相区，固溶处置后的时效温度通常在500~600℃之间 。赵红霞等[32]对ZTC4合金经过固溶时效处置之后，发现粗壮的陆续晶界α可被细化和宰割开，片状α束域可能得到细化，从而使强度大幅度提高，同时维持较好的塑性 。刘幼花等[33]对铸造Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb钛合金进行固溶时效处置，发现室温及高温强度随固溶温度的升高而增长，室温塑性随固溶温度升高而降落 。
（2）热等静压工艺（HIP，Hotisostaticpressing） 。
由于？俏狡濉⒑辖鹉淌账醺鲂缘戎旃逃懈鲂，铸造过程中的熔炼浇注阶段往往会在铸件内部引入气孔、缩孔、缩松等缺点 。这些缺点肉眼不私见，通过X射线成像后
可被观察到 。热等静压处置时，内部孔洞与疏松被挤压至关合，合金组织随之起头演变 。热等静压工艺规范取决于合金在分歧温度下的屈服极限，工艺温度通常要比相变点低30℃左右，保压压力在120MPa左右 。以ZTC4合金为例，其规范的HIP温度、压强、保温保压功夫别离为920℃、110MPa和2h，选取的介质通常用纯度为99.90%的氩气 。通常热等静压后铸件强度会出现肯定降落，但塑性会得到较大改善[34] 。图6所示为典型的热等静压对TC4合金铸件气孔及强塑性的影响[35] 。
（3）焊接建补工艺 。
热等静压能够解除铸件内部缺点，但是无法解除铸件表表缺点，甚至还会将内部孔隙转移至铸件表表 。所以，在热等静压处置后，往往必要对钛铸件表表和内部进行检测，若表 面存在凹坑缺点，内部存在同化等，必要选取焊接进行建补 。惰性气体钨弧焊是钛合金焊接常用的工艺，此表还有激光焊接、等离子焊和电子束焊接等工艺也被用于钛合金精铸 件的焊接 。大部门迪胙合金拥有较好的可焊性，焊接建补后迪胙合金铸件仍拥有良好的强塑性和委顿机能 。
但是，焊接过程中还需把稳焊前筹备，保障焊缝质量和抑造焊接变形开裂 。焊缝质量重要通过节造；て宸瘴Ш吞岣吆附忧虮肀砬褰喽仁迪 。典型合金元素对钛合金焊接 机能的影响如表4所示[36] 。焊接过程中溶解迪胙合金可能与铸件表表或气体氛围中的C、O、N、H产生反映，导致焊区脆性加强、韧性降落或开裂等问题 。同时，钛合金自身成分和铸件结构也会对焊接质量产生很大影响 。高温钛合金中增长的Al、Sn、Si等元素在焊接过程中产生非平衡态凝固，析出脆性有序相会降低铸件焊接接头的塑韧性[37-39] 。此表，由于铸件分歧地位结构分歧、厚薄不均匀，温度场变动不均匀时产生的扰爪力导致分歧地位塑性应变分歧，从而造成了焊接区或焊接区周围出现裂纹 。
2、精密铸造钛合金资料发展
钛合金精密铸造技术的发展与铸造钛合金资料的发展是相辅相成的 。为充分阐扬钛合金资料的个性，适共同金资料的较差铸造机能，必要开发针对性的铸造技术并不休改进 。
此表，为降低铸造难度、节造成本，必要调整钛合金成分，在最大水平保障使用机能不降落的前提下，使合金成分更有利于铸造成形和后处置 。在这种螺旋上升的态势下，钛合金精密铸造技术和铸造钛合金资料都获得了很大的进取，通例铸造钛合金的铸造技术不休美满，新型、高机能铸造钛合金资料也不休被开发出来 。
2.1通例铸造钛合金
目前，在航空航天领域利用的铸造钛合金重要是α+β型钛合金和近α钛合金，通例的铸造钛合金及其力学机能见表5 。国内表利用领域最广、使用量最大的α+β型钛合金是 ZTC4，ZTC4与TC4的合金成分根基一样 。近α钛合金中，ZTA15合金的使用量最多，但显著低于ZTC4钛合金，ZTA15合金成分与TA15相近，起源于俄罗斯BT20钛合金 。目前，我国研造和出产的航空航天用钛合金精密铸件中，ZTC4和ZTA15合金的总使用量超过了80% 。
国内表科研院所和高校钻研团队发展了大量铸造钛合金的成分调控钻研，钛合金中典型合金元素增长对铸造机能和使用机能的影响如表6所示[39-45] 。在ZTC4钻研方面，除主元素Al表，重要针对间隙元素进行调控，间隙元素C、O、N、H等对ZTC4机能有较大影响，图7所示为氧、氮、氢三衷禅体元素对ZTC4力学机能的影响法规，钻研发现氢0.010%~0.012%、氮0.01%~0.02%、氧0.10%~0.15%（质量分数）有利于同时提高ZTC4铸件的强塑性[46] 。针对高危险容性需要的铸件，通常会选取低间隙ZTC4合金（ZTC4ELI） 。钻研批注，微量Fe（<0.24%）对低间隙TC4拥有较好的固溶强化作用，可在断裂韧性不变的前提下提高抗拉强度[47] 。
近几十年来，为满足航空发起机机匣和叶片等铸件对高温蠕变及高温强度等需要，多种铸造高温钛合金被开发出来 。表7所示为典型的高温高强钛合金商标及力学机能 。耐 550℃高温钛合金较多，国内表合金商标重要有Ti1100、IMI834、Ti6242、ZTi55和ZTi60等 。其中，高温钛合金大多是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系统合金，其中Ti1100、IMI834和ZTi60使用温度可达600℃ 。北京钢研院和西北工业大学等发展了ZTi55和ZTi60油箱骨架的熔模铸造工艺和后处置工艺钻研，通过浇注系统优化，实现了高速飞行器油箱骨架件的齐全充型，并解决了焊接易开裂问题，附铸试棒和铸件本体力学机能满足指标要求 。中国科学院金属地点ZTi55和ZTi60合金铸造工艺及铸件机能调控方面进行了系统钻研[48]，了局批注，ZTi55和ZTi60合金的铸态组织显著较Ti-6Al-4V藐幼，铸态β晶粒尺寸与其母合金铸造后β热处置组织的晶粒尺寸相当 。ZTi55合金的拉伸性 能显著优于ZTC4和ZTA15合金，600℃/400MPa/30min下蠕变残存变形仅为0.2%；ZTi60合金铸态组织塑性较好，但强度偏低 。铸造β钛合金有Ti153、β-21S、BT35等，固然使用温度达不到500℃，但其室温屈服强度可超过1000MPa，高温强度和抗蠕变机能也较好[49] 。相较于近α钛合金，近年来铸造β钛合金的钻研和利用极少 。铸造近α高温钛合金有轻质、耐高温、高强塑性及低成本优势，在航空航天大型复杂结构件上有辽阔的利用远景，是耐高温钛基合金的沉要发展方向之一 。
2.2耐600℃以上铸造钛基合金
随着航空航天领域对飞行器飞行速度和距离需要的不休提高，对零部件耐高和善轻量化的要求也不休提升 。飞行器超音速飞行使零部件气动升温，对耐高温要求已超过钛合金热障温度600℃，通例钛合金无法满足如此高温机能要求 。当前，绝大部门耐600℃以上高温零部件通常选取耐热温度高于700℃的镍基高温合金资料，但其密度达到8.4g/cm3，比钛合金的密度高86%，但比强度不脊合金[50] 。近年来，耐600℃以上高温的近α钛合金、钛铝合金和Ti2AlNb合金获得了长足发展，新商标、新成分不休被开发出来 。表8[51-58]所示为分歧高温钛基合金的高温力学机能 。
目前，耐600℃以上铸造钛合金较少，目前只有中国科学院金属所开发的耐650℃高温ZTi65钛合金 。ZTi65合金是从铸造Ti65合金成分改进而来，与铸造Ti65合金相比，ZTi65合金的Ta和W含量减半，其他合金元素根基不变，固然就义了肯定的高温强度，但较大地提升了铸造机能，目前可浇注最大概括已超过1200mm的发起机机匣和油箱骨架等产品 。然而，ZTi65合金焊接机能较差，大型薄壁异构件的焊接开裂偏差严沉，焊接工艺不成熟，热处置和热等静压等后处置工艺还未形成尺度化 。
TiAl合金密度比通例钛合金更 。ㄔ4g/cm3），拥有优异的高温抗蠕变和抗氧化机能[59]，可代替镍基高温合金在航空发起机600~1000℃高温区服役 。但是，钛铝合金比通常钛合金的热加工难度更大，热变形开裂偏差大，机械加工越发难题，这些问题使得精密铸造技术成为TiAl合金精密成形的更优选择 。目前工业化利用中重要是二代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公司选取Ti-4822合金和熔模铸造工艺出产航空发起机叶片和机匣类部件[28] 。国内也具备出产中幼尺寸TiAl合金铸件能力，如中国科学院金属所出产的45XD合金低压涡轮叶片和西北工业大学选取熔模铸造工艺研发的TNM合金航天飞行器格栅 。由于TiAl合金铸造工艺不成熟，目前尚未见Φ1000mm尺寸TiAl合金精铸件利用的公开报路 。
TiAl合金精密铸件的研造及批量化出产必要解决很多问题 。TiAl合金在熔融状态下活性高、流动性差、凝固收缩率大、凝固过程易开裂，这些个性为复杂薄壁构件的尺寸精度 节造、表表质量、内部缺点节造提出了较大挑战 。有钻研批注，对于基础尺寸为10~80mm的铸件，Ti-4822合金的自由线收缩率为3.11%~2.09%，是通例ZTC4合金的2倍左右[60]，收缩率大导致TiAl合金铸件尺寸难以节造、残存应力大、易开裂报废 。此表，若TiAl合金沿用通例钛合金铸型用硅溶胶作为面层型壳的粘结剂，浇注过程中熔融TiAl合金容易与面层型壳中的SiO2反映[61]，再加上为提高流动性的高型壳预热温度[62]，型壳面层极易剥落 。因而，TiAl合金必要选取惰性极佳迪肫溶胶作为粘结剂以及Y2O3作为耐火资料 。总之，提升TiAl合金熔模铸造质量必要同季节造好凝固收缩与表表质量，优选耐火资料、优化粘结剂并定造烧结工艺，同时提高陶瓷型壳的退让性，并且降低陶瓷型壳的化学活性 。
Ti2AlNb合金比大无数TiAl合金高温强塑性和抗蠕变机能更好，其使用温度高达800℃，拥有很大的代替铸造镍基高温合金的潜力 。由于Ti2AlNb合金熔点高、流动性差等 问题，目前仅有少数科研单元，如北京钢研院和北京航材院等发展了中幼型Ti2AlNb精铸件产品研发，尚无Ti2AlNb合金铸件的工程化利用 。目前只有Ti2AlNb基合金的锻件利用于一些低风险的航空航天部件中，如导弹发起机喷嘴、导弹轨控发起机喷管衔接件、卫星发起机构件、航空发起机机匣试验件等 。钻研发现，选取通例铸造法造备的Ti2AlNb合金铸件，存在组织粗壮、塑性变形能力差，难以进一步机械加工等问题 ；贫萚63]对Ti2AlNb合金的铸造工艺存在缩孔和缩松等缺点的问题发展了热等静压试验，有效解除了铸造缺点，并提高铸件致密度，改善铸件机能 。但是，针对Ti2AlNb合金铸造机能及工艺钻研的公开报路鲜见，尚无Ti2AlNb合金大型熔模精铸件工程化利用的事俘 。
3、钛合金精铸件在航空航天飞行器上的利用近况
经过几十年的发展，钛合金精铸件已经宽泛利用于航空航天飞行器的关键结构件，尤其是整体精铸件的使用为飞行器结构不变性提升、耽搁机体寿命、整体减沉、削减装配 难度、降低造作成本都做出了沉要贡献 。通例钛合金精密铸件在航空飞行器上的利用最为凸起 。1972年起，铸造钛合金起头正式利用于飞机上，首先被用于受力不大的非关键静止结构件上，如发起机罩、隔板、油路导管等 。随着铸件机能的提升，钛合金精密铸件也起头用于一些关键的承力部位，美国PCC、Howmet等公司选取Ti6Al4V钛合金及精密铸造技术出产了CF6-80发起机装置吊架精密铸件、GE90发起机电扇轮毂、F117发起机点火室前部铸件、波音777发起机后装置框架、A380客机刹车扭力管、Bell-BoeingV-22倾转式旋翼机上的转接座、F-22战斗机机翼上的侧机身接头垂尾方向舵作动筒支座等 。
美国F-22战斗机上使用迪胙合金铸件约莫有76件左右，蕴含倾斜隔板、辅助动力装置入口框、座舱面板、主机翼组件、方向舵铰链副等 。我国歼20也大量选取了钛合金精密铸件，其中尾翼垂尾即选取钛合金整体精密铸件 。北京航材院已成为空客CFM56-7发起机支板的重要供给商，并成为LEAP-1A、1B、1C发起机迪胙合金铸件供给商 。钛合金精密铸件的大量使用削减了航空发起机螺栓机械衔接的数量，降低了造作成本和工艺难度，提升了机体寿命 。
除了通例钛合金精密铸件表，TiAl合金精密铸件在航空飞行器上的利用也有较大突破 。早在20世纪90年代，NASA民用超音速飞机的发起机排气喷嘴翼板和支持梁便选取熔模铸造TiAl合金打造 。1993年，美国Howmet公司初次选取Ti4822合金铸造出低压涡轮叶片，并在CF6-80C发起机试车 。2006年，PCC公司通过熔模精密铸造将Ti4822 利用到GE公司最新一代发起机GEnx低压涡轮的最后2级叶片上，并陆续装配波音787和747-8s客机上，初次实现了TiAl合金在航空发起机中的规；，使发起机质 量减轻约180kg 。中国科学院金属所、北京航材院、西北工业大学、哈尔滨工业大学研造了TiAl合金扩压器、叶片和增压器涡轮等铸件[64] 。中国科学院金属所出产的45XD合金低压涡轮叶片已实现英国罗·罗公司的TrentXWB大推力、大涵路比发起机查核验证，未来还将用于国产大飞机C919的长江发起机上 。沈阳铸造钻研所选取熔模精密铸造技术，成功研造出最大尺寸为800mm的薄壁TiAl合金弹翼骨架，大力推动了TiAl合金铸件在航天领域的利用[65] 。
钛合金在低温前提下维持了较高的强度、韧性，其耐委顿、无磁性等个性满足宇宙空间极端服役环境要求，因而在航天飞行器上也有较多利用 。钛合金铸件在导弹上使用比力普遍，有尾翼、弹头壳体、火箭壳体及衔接座等 。航天飞行器和人造卫星使用迪胙合金铸件重要是一些支座、板架与接优等结构件和人造卫星上拍照机框架等 。图8所示为几种典 型的航空航天飞行器用钛合金精密铸件[66] 。
4、结论与瞻望
本文综述了近年来钛合金精密铸造技术、资料和产品在航空航天领域的利用进展 。我国在铸造钛合金资料开发上已走在世界前列，钛合金精密铸造技术根基实现国产化，并大批量利用于航空航天飞行器关键结构件上；但是我国钛合金精密铸造技术企业与美国先进精密铸造企业相比仍有肯定差距，钛合金精铸件利用方面也存在一些亟待解决的难题 。
（1）新型铸造钛合金推广利用缓慢 。目前航空航天领域利用最宽泛的铸造钛合金仍为ZTC4和ZTA15两种，新型铸造钛合金如ZTi65、TiAl合金等的利用仍未获得突破性进展 。
新型铸造钛合金通常从铸造钛合金成分改进而来，铸造工艺机能和力学机能数据无法合用于铸造，开发新型铸造钛合金精密铸件的周期长、成本高、利用领域较窄，这些成分都造约了新型铸造钛合金的推广利用 。
（2）钛合金精密铸造出产成本降落难 。精密铸造原资料、技术和市场共同作用导致成本难以降落，钛合金型壳资料价值昂贵且为一次性使用，真空熔炼环节对设备要求高，且 出产效能较低，铸件结构日趋复杂化、多流程工艺节造难，导致铸件良品率低 。企业获得国度沉大项目订单存在较高的技术壁垒和资质壁垒，研发成本居高不下，投入产出回报周 期长 。
（3）钛合金精密铸造仿照仿真技术落后 。目枪合金精密铸造的仿照仿真技术还存在国产软件使用率低，国表仿照仿真软件垄断等问题 。此表，大量铸造出产过程参数无法直接丈量，或丈量正确性差，仿照仿真工艺参数与现实出产的工艺参数不匹配，资料基础数据库更新与新资料开发进展严沉脱节，铸造仿照仿真人才匮乏，仿真软件使用和二次开发等进展缓慢 。
（4）钛合金增材造作崛起的强力竞争 。与精密铸造类似，钛合金增材造作也是近净成形技术，并且成形精度高、出产周期短、强度高，目前已经在航空航天领域得到了肯定利用 。固然很长功夫内受粉体价值高、产能不及等问题所限，增材造作的价值比精密铸造更高，市场推广利用碰壁，但随粉体价值的不休下探、设备供给日益充足，增材造作钛合金零部件的市场竞争力逐步显露 。
为解决我国钛合金精密铸造发展中存在的难题，提升钛合金精密铸造的利用水平，能够从如下几个方面进行改进 。
（1）成立新型铸造钛合金成分-铸造机能-力学机能数据库 。通过对影响合金流动性的热物理参数进行热力学推算、数值仿照试验，结合流动性验证试验，获得有利于提高流 动性的成分 。通过高通量第一性道理推算，成立合金根基物性及电子特点参量数据库，结合数据挖掘与机械进建技术，获得分歧力学机能梯度的合金成分并发展浇注验证 。耦合提 高铸造机能和力学机能的影响机造，从成分设计到试验验证，再到综合优化，逐步成立合金成分-铸造机能-力学机能数据库 。
（2）利用数字孪生技术降低出产成本 。对现有设备进行数字化刷新，量化蜡模、？呛椭质量，发展工艺数据统计、精密化成本推算 。在大批量铸件产品工艺、质量数据基础 上，钻研铸造全流程关键工艺参数对铸件表表质量、尺寸精度、力学机能的影响法规，利用数字孪生技术进行关键工艺参数的智能决策，辅助新产品铸造工艺开发，从而缩短新产品研发周期、降低废品率，进而降低出产成本 。
（3）大力发展国产铸造仿照软件 。铸造仿照软件是铸造行业的底层基础，目前铸造仿照软件被法国Procast、韩国Anycasting等持久垄断，国产软件由于数据库不及、职能缺 失、预测正确度差，市场渗入率较低 。我国应大力发展国产铸造仿照软件，通过软件公司-铸造企业-高档院校结合攻关，开发及优化主题算法，美满铸造资料数据库，造就专业人才行列，合力提升国产铸造仿照软件的技术水平 。
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通讯作者：李金山，教授，博士，重要从事航空航天高机能金属结构资料及其精确热成形技术的钻研 。
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