随着我国航空航天飞行器的不休升级换代
，飞 行器零部件的结构逐步趋向复杂化
，蕴含变壁厚设 计、半封关或封关内腔及非对称结构。 这些结构变 化显著提升了对零部件资料的要求
， 出格是在轻 质、高强度、耐高温、耐侵蚀等方面的机能需要日益 增长[1-4] 。 在此布景下
，钛合金精密铸造技术因其能 够满足上述要求
， 逐步成为出产飞行器关键零部件 的主流工艺。例如
，航空发起机机匣和壳体等零部件 已宽泛选取这一技术进行一体成型出产[5-6] 。 只管该 技术利用宽泛
， 然而我国关于钛合金精密铸造技术 的钻研起步较晚
，并受到国际技术关闭的限度
，导致 在钛合金铸件资料和工艺水平上与国际先进水平存在显著差距。 为了缩幼这一差距
，并满足国内市场 的需要
，火急必要依附自主创新
，积极发展钛合金 铸件新资料和新工艺的研发。

目前
，国内表多多科研人怨佚在致力于攻克大 型复杂钛合金铸件的成型技术难题[7-10] 。 张铭杰[11] 和 朱幼平[12] 通过优化浇注系统设计、铸造仿照仿真、 3D 打印熔模、陶瓷型壳造备及熔炼浇注工艺
，成功 造备了直径超过 1 100 mm 的大型 TC4 钛合金中介 机匣熔模精铸件。 程亚珍等[13] 选取熔模精铸技术生 产了一种薄壁复杂钛合金铸件
， 并凭据仿照仿真 了局优化了浇注系统
，通过在易产生缩孔的地位添 加冒 口
，成 功将 缩 孔引 导至 冒口
，同时避 免 了 应 力 场的变动。 贾志伟等[14] 则选取分体熔模铸造与真 空电子束焊接相结合的工艺
，成功造作出长度超过 1 260 mm
，拥有复杂三通路狭长内腔结构迪胙合金 进气路铸件。 冉兴等[1] 则通过合理的造模参数、蜡模 防变形措施和螺杆表贴式紧固矫形工艺
，确保了某 大型钛合金异形结构铸件的尺寸精度。 这些钻研表 明
，通过精确的工艺设计与优化
，能够有效解决大 型复杂钛合金铸件成型中的诸多技术挑战。

随着飞行器对耐高温机能需要的不休提升
，生 产可能耐受 550 ℃以上温度的大型复杂铸件的高 温钛合金变得至关沉要。 目前
，国内表已经发展了 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系耐高温钛合金
， 如英国的 IMI 829 和 IMI 834、 俄罗斯的 BT25 和 BT36、 美国的 Ti-6242S 和 Ti1100
，以及中国的 Ti55、Ti60 和 Ti65 等[15-17] 。 只管这些高温钛合金具备优异的耐高温机能
， 但是基于它们的精密铸件开发依然较少
，当前市场 上大无数钛合金精密铸件资料仍选取 TC4 钛合金。 TC4 钛合金的长功夫使用温度为 300～350 ℃[18-19]
， 其特点是合金组元少、流动性好且不易开裂。 相比 之下
，高温钛合金由于合金组元多
，导致流动性差
， 开裂偏差严沉。 因而
，在开发钛合金精密铸件时
，为 确保产品的齐全成型、节造铸件缺点数量和尺寸公 差
， 铸件设计人员必须针对特定钛合金的个性
，造 定专门的铸造工艺和后处置工艺[20] 。

本文萦绕大型、复杂、薄壁骨架铸件的需要
，结 合前期铸件攻关钻研堆集
， 选取熔模精密铸造工艺 对 ZTi55A 大型骨架铸件进行研造出产。 通过攻克 铸造工艺和后处置工艺中的关键技术难题
， 使得产 品的冶金质量和机能达到了型号设计的使用要求
， 并成功实现了产品的研造
， 为后续批量出产奠定了 坚实基础。

1、尝试资料与步骤

1.1铸件模型和资料

图1为大型骨架结构
，其最大表廓尺寸约为1600mmx800mm,零件呈非回转半敞开结构,壁厚幼于3mm,是典型的大尺寸、复杂、薄壁铸件。尝试选用的ZTi55A铸造钛合金是一种新型高温钛合金
，其名义成分为(质量分数
，%):5.5Al、3.5Sn、3.0Zr、0.7 Mo、0.3 Si、0.4 Nb、0.4 Ta,余量Ti。

1.2铸造工艺设计

综合思考ZTi55A油箱框架铸件的成形及补焊工艺,研造工作面对多项技术难点,蕴含若何有效节造高温钛合金在成形过程中的裂纹偏差
，若何确保铸件在焊接后的整体强度
，以及若何优化型壳力学机能以预防过高强度导致的铸造缺点。在铸造工艺中
，首先选取分段铸造与焊接工艺进行研造工作
，通过这一步骤成功造备了合格的产品;在此基础上,进一步发展整体铸件的研造。

在工艺设计方面
，针对铸造过程中的裂纹形成问题
，决定型壳的强度不宜过高
，因而选取静止浇注以削减应力集中。此表
，为了确保铸件可能顺利充型
，削减对型壳的冲击、并有利于挨次凝固和排气
，从而保障铸件的冶金质量
，本项目选取了底注式浇注系统设计规划。具体的铸造工艺重点蕴含以下几个方面。

(1)蜡模的造备蜡模造备选取激光急剧成形设备,无需模具即可急剧成形蜡模,并且便于在蜡模上进行工艺批改和优化。为了确保蜡模的尺寸精度
，专门设计并造作了防变形工装和检测工装。在蜡模造备过程中
，严格节造环境温度并规范操作
，确保在蜡模建整和组焊过程中不产生变形。

(2)造壳工艺选器拥有优良综合工艺机能的耐火资料ZM(Y2O3和ZrO2的复合相)和新型复合黏结剂ZYM,以特定配比(5:1)造备浆料。具体步骤蕴含:使用机械手自动线将配造好的浆料涂覆在经过洗濯的蜡模表表
，浆料涂覆后在(22±2)℃和40%~60%的湿度前提下天然干燥10~12h;而后进行1次200目铝锆粉的过渡层撒砂及干燥处置;接着沉复8次200目铝矾土粉的加固层撒砂和干燥操作
，最后1层仅挂浆而不撒砂。实现干燥后
，？蔷牙透呶卤荷招纬捎涤锌隙ㄇ慷鹊男涂。造壳的齐全工艺流程如图2所示
，型壳焙烧工艺曲线如图3所示。

(3)浇注成形在浇注过程中
，首先将型壳预热至400~450℃
，削减温度梯度带来的内应力。而后将预热后的型壳急剧转移至熔炼炉内
，进行热壳浇注。此过程能够有效降低铸件在凝固过程中的降温速度
，减轻收缩应力
，进而削减裂纹的产生。同时
，通过提升熔炼炉的熔炼电流
，节造在45000~50000A,以增长金属液的过热度,进一步改善铸件凝固质量。此表
，对型壳采取保温措施
，进一步减缓铸件的冷却速度
，有效降低裂纹的产生几率。

(4)后处置首先选取吹砂、打磨等通例机械步骤初步断根表表的沾污层
，使用酸液质量百分配比HF(化学纯,40%):HNO3(工业纯,62%~67%):H2O=1:3:6的酸洗工艺,彻底去除残留的沾污层。为了确保补焊的靠得住性
，在进行工艺试验前对试片和焊丝进行了以下处置:①缺点仿照。在试片上有意造作铸造缺点
，以便仿照现实建复场景
，并依照规范进行焊前处置。②焊丝处置。焊丝先进行酸洗处置
，而后用铝箔包裹烘干备用
，以确保焊接时资料的清洁度和机能。③补焊试片处置。试片在吹砂和酸洗后备用
，酸洗量单边0.5mm。④补焊操作。在真空焊箱中进行补焊,焊接电流设计领域为50~100A。⑤检测与分析。补焊后
，使用荧光检测和X光检测对试片进行全面分析
，以评估焊接质量。

2、尝试了局及会商

2.1分段铸件铸造成形

凭据大型骨架结构的特点
，将产品分为前、钟注后3段进行铸造,如图4a~c所示。此分段大局的设计使焊缝区域厚度较大
，且厚度差较幼
，便于保障电子束焊接的质量和一致性。如图4d~f所示
，为了实显旖闻仔序的充型并提高铸件整体的成形致密性,针对易产生孔洞类缺点的热节部位,对浇注系统结构进行了优化
，增长终部门辅助浇冒系统。该优化措施使金属液在充型过程中可能更好地填充和补缩热节部位
，从而有效削减或解除内部的缩孔和缩松缺点。

如图 5 所示
，选取激光急剧成形设备及专门设计造作的蜡模防变形工装和检测工装进行蜡模的造备和建整。 建整后的蜡模通过激光三维扫描检测
，尺寸精度满足工艺设计要求
，具体精度达到±0.3mm。

为预防脱蜡过程中的残渣掉入型腔
，在脱蜡前对脱蜡孔、排气孔等周边的型壳进行打磨,使其光顺平坦
，确保型腔无表来物传染。脱蜡和焙烧过程中
，使用金属盖板封堵朝上的排气孔及浇口
，预防表来同化物进入型腔。同时
，在模组部门低点地位增设脱蜡口,使部门蜡液可能急剧流出,预防蜡液长功夫接触型壳造成部门粉碎。浇注前
，使用高清工业内窥镜对型壳内部进行查抄
，对发现的同化物等选取洗濯方式进行算帐
，确保型壳干净无传染。浇注前的？侨缤6a~c所示,浇注实现后的清壳和吹砂过程如图6d~f所示。铸件成形齐全
，表观质量优良
，表表呈金属光泽,无反映粘砂景象,且表观无目视可见的裂纹。

使用表1所列设备对分段铸件进行化学成分检测后,获得实测了局和尺度要求对比数据,如表2所示Ｄ芄豢闯
，经过熔模精密铸造浇注出来的ZTi55A分段骨架铸件的表表及内部质量均切合GJB2896A-2007的I类B级要求,各元素含量均在尺度领域内。

表1化学成分检测设备

为有效节造部门应力集中
，削减缺点数量
，采取了以下工艺优化措施:①增大薄厚转接部位的过渡角R。为了削减结构应力集中区的裂纹产生几率,在应力集中的薄厚转接部位增大过渡角R
，后续打磨至铸件设计要求的表表光滑状态
，进一步削减裂纹出现。②铸平尺寸较幼的凹槽。为预防因型壳干燥不彻底导致的强度过低问题
，浇注时产生同化类缺点
，将尺寸较幼的凹槽在铸造过程中铸平
，后续通过机械加工来实现铸件的凹槽结构
，以保障凹槽的精度和铸件的整体质量。③增大冒口尺寸。为了尽可能将缩孔缺点提出铸件本体
，增大冒口尺寸
，并在热等静压处置之后去除冒口
，确保铸件本体的致密性和机械机能。

表2 ZTi55A尺度合金成分及分段骨架铸件成分

2.2整体铸件铸造成形

针对ZTi55A资料在铸造过程中易产生裂纹的特点
，结合分段铸件在工艺设计和出产过程中的经验
，发现以下问题：在薄厚转接部位
，由于应力集中
，容易产生裂纹缺点；在尺寸较幼的凹槽区域
，由于型壳干燥不彻底
，导致强度不及
，浇注时容易产生同化类缺点。此表
，在冒口尺寸不及的情况下
，铸件本体易出现缩孔缺点。

为有效节造部门应力集中
，削减缺点数量
，采取了以下工艺优化措施： ①增大薄厚转接部位的过渡角 R。 为了削减结构应力集中区的裂纹产生几率
，在应力集中的薄厚转接部位增大过渡角 R
， 后续打磨至铸件设计要求的表表光滑状态
， 进一步削减裂纹出现。②铸平尺寸较幼的凹槽。为预防因型壳干燥不彻底导致的强度过低问题
，浇注时产生同化类缺点
，将尺寸较幼的凹槽在铸造过程中铸平
， 后续通过机械加工来实现铸件的凹槽结构
， 以保障凹槽的精度和铸件的整体质量。③增大冒口尺寸。为了尽可能将缩孔缺点提出铸件本体
，增大冒口尺寸
，并在热等静压处置之后去除冒口
， 确保铸件本体的致密性和机械机能。

凭据铸件的结构特点
，在相应地位增长筋条或筋板,通过增长多处工艺加强筋的方式,有效节造易变形部门,形成更为不变的铸件结构,最大限度地削减铸件变形。同时,为了满足铸件充型安稳、型壳冲击幼、挨次凝固和优良排气的要求,设计了相宜的浇注系统。由于整体骨架铸件为非回转结构,选用底注式浇注系统,这有助于保障铸件的冶金质量。具体浇注工艺规划如图7a所示。

使用蜡模造备设备分多段造备蜡模
，如图7b所示。多段蜡模必要在专用的蜡模拼接工装上进行整体拼接
，拼接处使用黏结蜡进行黏接
，以保障蜡模的整体强度。拼接后的整体蜡模依照设计的浇注系统组焊在专用浇路上。为确保整个浇注系统在组模和造壳过程中不出现变形、开裂或破损,设计加固工装。加固工装选取带有翻转职能的金属框架结构,便于操作和使用,确保系统的牢固性和耐用性。

通过检测,整体骨架铸件的表表及内部质量均切合GJB2896A-2007的I类B级要求。如表3所示
，经过熔模精密铸造浇注出来的ZTi55A整体铸件各元素含量均在尺度领域内。

表3 ZTi55A尺度合金成分及整体骨架铸件成分

2.3后处置工艺钻研

2.3.1铸件酸洗工艺

型腔中的有余物是导致铸件同化类缺点的重要原因。为预防在型壳脱蜡和焙烧过程中表来同化物的混入
，以及型腔表表涂层的脱落形成同化源
，采取焙烧后洗濯型壳的措施,确保型壳拥有优良的机能和质量。造备实现的整体铸件型壳如图8a所示。

图9所示为厚度5、10、15和20mm的4种ZTi55A试块
，切割横截面进行α脆性沾污层厚度检测。通过AXIO Vert.A1型金相显微镜分析发现
，试块厚度越大
，其对应的α脆性沾污层越厚。

与分段骨架的浇注过程一样
，整体大型骨架选取热壳浇注工艺
，增长铸件在炉内的冷却功夫
，降低铸件的凝固冷却速度
，从而削减铸件在凝固过程中产生裂纹的偏差。浇注实现后
，经过清壳、切割浇注系统,以及吹砂打磨处置,最终的整体骨架铸件如图8b和c所示。铸件充型齐全,无欠铸或多肉等显著的铸造缺点。

凭据酸洗的要求和测试了局,确定了铸件的酸洗功夫:对于ZTi55A钛合金,基于上述尝试了局α脆性沾污层厚度取0.4mm(暗示典型的脆性沾污层厚度)。凭据酸洗速度块测定化学除层的速度为0.014mm/min,获得最佳酸洗功夫取30min,即可齐全去除铸件表表的α脆性沾污层。

2.3.2补焊工艺

为实现补焊无开裂景象
，最沉要的就是要降低焊策应力
，使其低于母材抗拉强度Ｋ伎嫉窖∪『盖盎」獠棵旁と取⒑负蠡郝栈〉暮附臃绞
，降低焊后冷却速度
，从而降低焊策应力及应变速度。

为了排除屡次补焊对焊点周围开裂的影响
，在骨架前段试验件上应力较为集中的区域拔取数点进行缺点仿照
，并对缺点进行补焊工艺钻研。首先
，将焊点及周围算帐干净
，对铸件进行预热。其次
，补焊前使用焊枪弧光对焊点周围进行部门预热
，预热领域为R50mm。补焊后
，萦绕焊点缓慢收弧
，削减焊接融合区与母材间的温度梯度以达到削减焊策应力和残存应力的成效。最后
，铸件在真空焊箱中充分冷却后
，选取超声波振动方式对铸件进行去应力处置。经过不休改进优化
，确认了补焊工艺步骤
，并将统一地位建复前、建复后的情况进行了对比
，了局如图10所示？杉
，选取这种焊接工艺步骤能够有效解除焊点周围裂纹的产生。

针对ZTi55A铸件补焊后焊点周围开裂情况
，经过试验已获得突破性进展。钻研出合用于ZTi55A铸件的补焊工艺步骤,并在前段试验件中得到可行性验证。补焊工艺步骤概括如下。

(1)铸件焊前预热铸件进入焊箱前先进行整体预热
，预热温度领域为350~400℃;进入焊箱后
，再对焊点及其周围区域进行部门预热
，预热温度领域为600~800℃,预热领域为焊点面积的5倍以上。

(2)焊接过程节造选取幼电流慢速焊接,电流领域设定为50~100A,焊接速度为2~3mm/s。

(3)缓慢冷却焊接后选取部门保温方式
，降低焊接区的冷却速度
，减幼收缩应力。

(4)去应力处置补焊铸件冷却后立即选取超声去应力方式降低焊策应力。

(5)去应力退火补焊铸件需12h内进行真空状态下去应力退火。

(6)清洁处置焊丝和补焊区域必须在焊前短功夫内沉新算帐干净。

(7)固定设备与工艺维持固定的焊接设备和焊接人员
，确保工艺参数和前提的一致性。

3、结论

(1)蜡模与型壳造备通过改进蜡模和型壳的造备工艺,确保了大型钛合金铸件的齐全充型,预防了由于蜡模变形和型壳强度不及而导致的铸造缺点。这一成就为复杂结构钛合金铸件的造作提供了工艺保险。

(2)熔炼与浇注工艺优化了ZTi55A合金的熔炼和浇注工艺,通过节造浇注温度和速度,有效削减了铸件中的缩孔、缩松等内部缺点。钻研了局批注
，相宜的底注式浇注系统有助于实现挨次凝固
，从而提高了铸件的冶金质量。

(3)酸洗工艺针对铸件表表和内部缺点,造订了合用于ZTi55A铸件的酸洗工艺。理论上
，通过节造酸洗功夫和酸洗液浓度
，可能有效去除铸件表表的a脆性沾污层
，维持铸件的表表质量和力学机能。

(4)补焊工艺开发了适合ZTi55A铸件的补焊工艺,蕴含焊前预热、慢速焊接、焊后缓慢冷却和超声去应力处置。这些工艺的优化有效降低了焊策应力和残存应力
，预防了焊接过程中的裂纹产生
，确保了铸件的齐全性和靠得住性。

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（注
，原文标题：ZTi55A钛合金大型骨架熔模铸造及后处置工艺钻研_刘云超）