为知足航空航天航行器升级换代对高性能金属结构件的需求，，，，，，零部件生产手艺和质料一直前进刷新钛合金具备密度低、比强度高、耐侵蚀强和耐高温性等特征，，，，，，被普遍应用于航空航天领域的要害承力结构件，，，，，，且使用量一直增添[2-3]。。。。。然而，，，，，，钛合金零件生产历程中保存切削力大、易磨损等问题，，，，，，导致加工效率低、本钱高4],限制了钛合金零部件在低空航行器、武器船舶领域的推广应用。。。。。熔模细密铸造手艺是解决大尺寸、薄壁、重大结构钛合金构件一体化成型难题、降低制造本钱的有用手段5。。。。。熔模细密铸造手艺从我国古板的失蜡法生长而来，，，，，，从20世纪60年月最先，，，，，，美国最早开展了钛合金熔模细密铸造手艺开发和优化事情,首先将钛合金熔模精铸件应用于低承力的非要害静止结构件上，，，，，，如发念头罩、隔板、油路导管等;随着细密铸造手艺的一直前进，，，，，，钛合金精铸件性能一直提高，，，，，，逐步应用于发念头机匣等要害承力结构件。。。。。经由数十年的生长，，，，，，目今航空航天工业中90%以上的钛合金铸件生产均接纳熔模细密铸造手艺。。。。。

在钛合金熔模细密铸件质量控制中，，，，，，主要难点在于形状尺寸和缺陷控制,钛金属在高温下化学活性极高，，，，，，容易与坩埚、型壳爆发反应，，，，，，大宗放气或欠铸，，，，，，导致产品报废。。。。。铸件形状和尺寸控制涉及到蜡模变形、型壳变形破碎、铸件凝固变形、热处置惩罚/热等静压变形、焊接变形等，，，，，，铸件缺陷控制涉及到质料特征、浇注系统设计、？？？？？？侵柿霞肮ひ铡⒔阶⒐ひ蘸秃蟠χ贸头９ひ盏。。。。。在高性能钛合金质料开发方面，，，，，，主要难点在于怎样同时兼顾合金的高铸造性能和高使用性能。。。。。随着航空发念头压气机使用温度升高，，，，，，ZTC4钛合金已无法知足航空航天零部件日益提高的耐高温力学性能需求，，，，，，因此需要开发550~650℃高温铸造钛合金，，，，，，同时解决合金焊接开裂的工艺难题，，，，，，提高热强性和热稳固性[6]。。。。。钛合金的铸造性能和力学性能很洪流平上受合金因素影响，，，，，，通过因素优化可实现高铸造性能和高力学性能的钛基合金质料,从而知足细密铸件需求7。。。。。

现在，，，，，，航空航天航行器结构件逐渐向大型化、整体化、薄壁化生长，，，，，，我国已突破航空发念头中介机匣、圆转方机匣、油箱骨架等钛合金细密铸件，，，，，，具备生产1500mm以上大尺寸、薄壁、重大结构钛合金精铸件的能力,随着冶金质量和尺寸控制能力提升，，，，，，未来钛合金细密铸件应用远景辽阔。。。。。可是，，，，，，我国的钛合金细密铸造手艺起步较晚，，，，，，与美英等西方国家航空航天业几十年来积累的先进手艺相比，，，，，，在生产能力、本钱控制和交付周期等方面均有很大差别，，，，，，这也导致我国钛合金细密铸件在国际航空航天供应链中占较量小,钛合金细密铸件市场被美国PCC等企业恒久垄断。。。。。航空航天是细密铸造最焦点的市场，，，，，，占有了约39%的市场份额，，，，，，拉动了50%的增量需求,未来的市场竞争也将越发强烈。。。。。

目今,我国航空航天工业处于快速生长阶段，，，，，，国产化在近年错综重大的国际时势下加速推进,预计未来海内航空航天工业细密铸造市场总需求量将突破千亿，，，，，，其中钛合金细密铸造市场将凌驾100亿元,而现在海内各家钛合金细密铸件产值不凌驾25亿元,未来我国钛合金细密铸造尚有很大的生长空间。。。。。本文综述了近年来钛合金细密铸造在航空航天领域的应用现状，，，，，，先容了海内外钛合金细密铸造工艺生长、质料开发和产品应用，，，，，，总结了现在保存的问题并提出了展望,本文可为提高国产钛合金细密铸件质量和市场竞争力提供一定的指导。。。。。

1、钛合金细密铸造工艺生长

近年来，，，，，，随铸件质量需求提高和细密铸造装备升级，，，，，，钛合金细密铸造已向结构一体化、成形准确化与历程控制智能化生长。。。。。如图1所示[8],钛合金熔模精铸件的生产流程主要有蜡模制作-？？？？？？侵谱-熔炼浇注-后处置惩罚。。。。。首先，，，，，，将盘算机辅助设计软件设计的铸件模子用模具(或增材制造装备)制作出蜡模,在其外貌包裹多层耐火质料形成？？？？？？，，，，，，加热？？？？？？鞘估诨鞒;然后,通过高温使？？？？？？巧战崽沾苫，，，，，，将熔化的钛合金液体浇注到？？？？？？悄，，，，，，待金属液凝固并冷却后破损？？？？？？，，，，，，取出铸件及浇注系统;最后,对铸件及浇注系统举行切割浇冒系统、吹砂打磨、检测、酸洗、修补等后处置惩罚工艺后，，，，，，获得最终铸件产品。。。。。关于大型重大异构件的熔模细密铸造手艺研发，，，，，，工艺流程则更为重大，，，，，，对前期浇注系统及铸造工艺设计、制模装备、？？？？？？枪ひ铡⑷哿蹲氨傅囊笠哺。。。。。如表1所示，，，，，，与其他细密成形手艺相比，，，，，，钛合金细密铸造手艺具有短流程、低本钱、高精度、一体化的特点。。。。。

表1细密铸造与其他准确成形工艺的特征比照

Table 1 Comparison of the characteristics of investment casting with other precision forming processes

1.1制模工艺生长

制模工序作为细密铸造最前端的生产环节，，，，，，蜡模质量对后续工艺流程和最终铸件质量有根天性的影响。。。。。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转变纪律如图2所示9。。。。。随着石油化工、数控手艺和盘算机辅助设计的生长,蜡模质料及其模子生产工艺在近年来一直刷新立异。。。。。在蜡模料方面现在主要有蜡模料石蜡系和树脂系两种，，，，，，为提升其情形抗力、强度和尺寸精度等性能,需要加入一些添加剂形成混淆物。。。。。在模子生产工艺方面，，，，，，为提升新产品研发效率，，，，，，蜡模生产已从古板的冲压成型生长到3D打印与模具冲压成型相团结。。。。。

许多学者对蜡模料配方举行了研究，，，，，，改良蜡模料的性能。。。。。尤畅等[10]研究了差别添加剂改性松香和PE1000对石蜡-硬脂酸二元蜡模料性能的影响，，，，，，随改性松香含量上升，，，，，，固态蜡料抗弯强度及熔点下降，，，，，，石蜡-硬脂酸中改性松香和聚乙烯质量分数都为5%时，，，，，，获得综合性能最佳，，，，，，抗弯强度、针入度、系统均质性、软化温度区间获得极大改善。。。。。程姣姣[1]研究了光敏树脂、聚苯乙烯及蜡类熔模粗糙度、变形度和水性涂料的涂覆性能,发明光敏树脂模蜡模外貌粗糙度最小、尺寸变形度也最小;聚苯乙烯模外貌润湿效果最优，，，，，，光敏树脂模最差,光敏树脂经外貌活化处置惩罚后可抵达30~45mg/cm²涂层厚度。。。。。

现在,制蜡模手艺已从模具冲压成型转变为增材制造与模具冲压成型相团结的时势。。。。。古板的制蜡模要领是将熔融蜡料注入金属模具中成形，，，，，，这需要定制金属模具,简单产品对应专门模具，，，，，，模具生产周期长、顺应性差、容错率低、本钱高。。。。。随着铸件产品型号迭代速率加速，，，，，，开发金属模具的模式无法顺应大宗新产品的研发。。。。。为知足新铸件产品的快速开发需求，，，，，，近年来兴起了快速铸造手艺，，，，，，该手艺将快速成形手艺与古板铸造手艺相融合。。。。？？？？？？焖俪尚问忠罩饕τ糜诶！⑿托竞湍？？？？？？侵票,其中,快速成形蜡模主要是使用增材制造手艺使特殊的蜡料相互粘接或直接固化,然后再使用古板的制壳、浇注和后处置惩罚工艺生产出钛合金细密铸件[12]。。。。。盘算机辅助设计的增材制造手艺极大地缩短了新产品蜡模设计、制造周期，，，，，，从而有用地缩短了新产品交付周期。。。。。现在，，，，，，针对制蜡模的增材制造手艺有激光立体光固化(Stereo lithography appearance,SLA)、选区激光烧结(Selective laser sintering,SLS)、三维打印(Three dimensional printing,3DP)和分层实体制造(Laminated object manufacturing,LOM)等,图3所示为4种常用的蜡模增材制造手艺示意图[13]。。。。。如表2所示[14],差别的增材制造手艺优弱点各不相同,现实生产历程中往往会团结产品需求举行选择。。。。。现在，，，，，，航空航天重大结构件研发已大宗接纳激光立体光固化和树脂微滴喷射手艺生产蜡模，，，，，，树脂微滴喷射手艺面层扫描速率较快、精度高，，，，，，适配中小型铸件的蜡模制备;激光立体光固化手艺生产的蜡模外貌光洁度高、强度高、制壳难度低[15]，，，，，，适配大型铸件的蜡模制备。。。。。

表2用于蜡模制备的差别增材制造手艺优弱点比照

Table 2 Comparison of the advantages and disadvantages of different additive manufacturing technologies for wax mold preparation

1.2制壳工艺生长

决议熔模铸件质量的要害在于型壳的制备，，，，，，面层？？？？？？怯虢鹗粢褐苯咏哟，，，，，，其性能崎岖决议了铸件质量的优劣。。。。。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℃,纵然将浇注速率控制得足够慢,浇注时金属液仍会扑面层型壳爆发很大的热攻击。。。。。然而,？？？？？？亲芴迩慷炔豢晒,一样平常要求？？？？？？悄芄辉诮鹗粢耗汤讨兄鸾テ扑椤⒗Ｉ,镌汰对铸件的约束,降低铸件内应力、抑制开裂等问题。。。。。别的,若型壳面层粗糙度控制不佳,会传导至铸件的外貌质量,增添后处置惩罚工序,严重降低生产效率。。。。。因此,面层不但要有优异的抗热震性避免开裂,同时需要有一定的溃散性，，，，，，别的还要包管面层粗糙度能够匹配产品外貌粗糙度需求。。。。。通过？？？？？？侵柿吓浞接呕捌渲瓶枪ひ,开发可实现高性能？？？？？？侵票。。。。。

表3所示为差别型壳面层质料的优弱点比照[16-22]。。。。。现在,钛合金熔模精铸件的？？？？？？侵饕强扇苄越鹗粞趸锷战岫傻哪突鹛沾尚涂,其中ZrO₂和Y₂O₃应用最为普遍,航空航天熔模细密铸件生产大多接纳这两种金属氧化物作为耐火质料。。。。。与石墨耐火质料和难熔金属质料相比,耐火陶瓷型壳的传热效率更低,浇注历程中金属液不易爆发激冷效应,从而更好地抑制铸件外貌形成微裂纹、冷隔、流痕、裂纹等缺陷。。。。。别的,通过？？？？？？强匚吕淙春徒阶⒐ひ詹问呕,控制铸件冷却速率,可以阻止开裂问题。。。。。通过优选耐火陶瓷面层配方和制备工艺,能够包管铸件的外貌粗糙和尺寸精度要求。。。。。另外,有学者开了耐火陶瓷和金属复合铸型研究。。。。。沈阳铸造研究所陈晓明等[22]接纳等离子喷涂法将氧化钇粉末涂覆至模具钢铸型外貌，，，，，，制备了陶瓷/金属复合铸型,用于浇注ZTA15合金舵轴铸件,外貌质量优于同类石墨型铸件,铸件内部缺陷、外貌质量、化学因素、力学性能均切合手艺要求。。。。。；；；；；康萚23]比照研究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陷好于球墨铸铁铸型,而外貌扩散层厚度相当。。。。。

表3钛合金细密铸造用差别型壳质料的优弱点比照

Table 3 Comparison of the advantages and disadvantages of different shell materials for titanium alloy investment casting

1.3熔炼浇注工艺生长

近几十年来真空冶炼和浇注装备迭代升级，，，，，，钛合金熔炼浇注工艺也一直立异，，，，，，数字化、自动化和可视化浇注得以实现，，，，，，铸件冶金质量一直提升。。。。。钛合金的真空熔炼手艺已生长完善,现在熔炼和铸造钛及钛合金的装备主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，，，，，，熔炼炉的熔炼要领如图4所示[24-25]。。。。。凝壳炉的基来源理是,在真空情形中,借助直流电弧的电流把钛合金自耗电极举行高温加热，，，，，，形成熔池重新熔炼。。。。。现在，，，，，，绝大部分航空航天钛合金细密铸件生产均接纳真空自耗凝壳炉熔炼浇注,凝壳炉与浇注装置集成,完成母合金重熔后连忙最先铸件浇注。。。。。

从20世纪30年月最先，，，，，，各国最先对真空感应水冷铜坩埚凝壳炉、悬浮熔炼炉及其熔铸工艺举行研究及应用。。。。。图5所示为几种典范的大型钛合金真空熔铸装备。。。。。水冷铜坩埚凝壳炉原理为使用电磁感应在金属内爆发涡流加热炉料来举行熔炼，，，，，，已被证实是一种有生长前途的钛合金铸造熔铸装备及工艺。。。。。与真空自耗电极电弧凝壳炉相比，，，，，，其具有原质料形状要求低、无需制作电极、合金因素和熔池温度匀称、高纯净无夹杂、可在熔炼历程中添加合金元素、熔池保温时间长等优点。。。。。感应悬浮熔炼炉在凝壳炉的基础上，，，，，，还增添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匀称性，，，，，，近年来随着高质量合金需求一直增添，，，，，，感应悬浮熔炼手艺应用越发普遍。。。。。现在,感应悬浮熔炼炉可浇注的金属量有0.5 kg、5kg、20kg和50kg级4种,使用最多的是20kg级感应悬浮熔炼炉，，，，，，可用于小尺寸钛合金细密铸件的批量化生产。。。。。海内中国科学院金属研究所、北京航材院、沈阳铸造所和重庆两航等单位已具备50kg级大型感应悬浮熔炼铸造能力，，，，，，可开展最大尺寸为60 mm的钛合金铸件研发及批产。。。。。

在铸造工艺方面，，，，，，重力铸造和离心铸造是航空航天领域最常用的钛合金熔模铸造手艺,已大宗应用于制造叶轮、舱体、机匣等要害结构件[27-30]。。。。。一样平常重力铸造结构件的平均硬度大于离心铸造，，，，，，且重力铸造机匣强度高，，，，，，本体组织更为细小，，，，，，但关于低流动性合金和重大型腔铸件的浇注，，，，，，需要更高的浇注温度和更大的辅助浇注系统，，，，，，容易导致浇注跑火危害升高、铸件外貌质量下降、晶粒粗大、出品率低。。。。。离心铸造可以提崎岖流动性钛合金填充重大型腔的能力,实现低过热温度浇注，，，，，，获得性能优异、完整充型的重大薄壁钛合金铸件。。。。。可是，，，，，，离心浇注对离心工装、？？？？？？乔慷纫蠼细，，，，，，尚有较大的因素偏析危害。。。。。现在，，，，，，接纳重力铸造和离心铸造的钛合金铸件尺寸一直增大,从最大轮廓尺寸Φ900mm以下的发念头机匣,生长到离心铸造生产最大轮廓尺寸1600mm以上、最小壁厚1.5mm以下的钛合金异形结构件;重力铸造可生产最大轮廓尺寸2500mm以上的整体钛合金机匣。。。。。

模拟仿真是提升铸造工艺水平的有用手段。。。。。在钛合金熔模精铸件产品研发和改良阶段,由于单次熔炼浇注的时间和质料本钱高，，，，，，为获得最佳工艺参数、提升浇注乐成率,在现实浇注前会使用Procast、MagmaSoft、AnyCasting、华铸CAE等软件对浇注历程举行模拟仿真,获得欠铸、缩孔、气孔等缺陷在铸件中的漫衍情形。。。。。凭证模拟效果,对浇注系统结构设计和熔炼浇注工艺举行优化迭代。。。。。刘云超等[18]接纳模拟仿真软件优化了ZTi60钛合金大型构件熔模精铸工艺，，，，，，获得了完整成形铸件,无欠注跑火、外貌质量好、性能知足要求。。。。。贾国成等[29]通过模拟仿真设计并优化了倾斜式离心铸造工艺，，，，，，镌汰了铸件内部的缩孔缺陷和外貌流痕缺陷。。。。。模拟仿真工艺设计+现实浇注验证已成为钛合金细密铸造行业的主要手艺开发要领，，，，，，有用降低了大型钛合金细密铸件的研发本钱。。。。。可是，，，，，，现在保存钛合金物性参数缺乏、工艺参数丈量难和控制难等问题，，，，，，海内细密铸造模拟仿真效果与现实浇注效果的吻合度不高，，，，，，尤其是关于接纳新型钛合金的新型铸件产品，，，，，，仍主要依赖现实浇注验证模子设计和铸造工艺。。。。。

1.4铸造后处置惩罚工艺生长

(1)热处置惩罚工艺。。。。。

虽然接纳陶瓷型壳浇注的钛合金铸件内应力较小,但为了提高强度/塑性，，，，，，包管铸件装置和使用时不爆发变形或开裂等问题，，，，，，往往还需要举行热处置惩罚。。。。。与锻件热处置惩罚类似，，，，，，固溶加热温度和冷却速率是影响钛合金铸件性能的要害参数。。。。。针对α+β型钛合金铸件，，，，，，一样平常选用两相区下部温度退火，，，，，，镌汰铸件内应力，，，，，，可为热等静压和焊接做前处置惩罚;加热温度不宜凌驾β单相区,不然会引起β相晶粒急剧长大，，，，，，晶界a粗化，，，，，，严重降低强塑性。。。。。ZTC4钛合金去应力退火温度在500~600℃，，，，，，退火温度为700~800℃[31]。。。。。一样平常的钛合金铸件不举行固溶时效处置惩罚,举行固溶处置惩罚的铸件固溶温度也在α+β两相区，，，，，，固溶处置惩罚后的时效温度一样平常在500~600℃之间。。。。。赵红霞等[32]对ZTC4合金经由固溶时效处置惩罚之后，，，，，，发明粗大的一连晶界a可被细化和支解开，，，，，，片状a束域能够获得细化，，，，，，从而使强度大幅度提高，，，，，，同时坚持较好的塑性。。。。。刘小花等[33]对铸造Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-2Nb钛合金举行固溶时效处置惩罚，，，，，，发明室温及高温强度随固溶温度的升高而增添，，，，，，室温塑性随固溶温度升高而下降。。。。。

(2)热等静压工艺(HIP,Hot isostatic pressing)。。。。。

由于？？？？？？俏狡濉⒑辖鹉趟醵烫卣鞯戎旃逃刑卣，，，，，，铸造历程中的熔炼浇注阶段往往会在铸件内部引入气孔、缩孔、缩松等缺陷。。。。。这些缺陷肉眼不可见,通过X射线成像后可被视察到。。。。。热等静压处置惩罚时，，，，，，内部孔洞与松散被挤压至闭合,合金组织随之最先演变。。。。。热等静压工艺规范取决于合金在差别温度下的屈服极限,工艺温度一样平常要比相变点低30左右，，，，，，保压压力在120MPa左右。。。。。ZTC4合金为例，，，，，，其规范的HIP温度、压强、保温保压时间划分为920℃、110MPa和2h,接纳的介质通常用纯度为99.90%的氩气。。。。。一样平常热等静压后铸件强度会泛起一定下降，，，，，，但塑性会获得较大改善[34]。。。。。图6所示为典范的热等静压对TC4合金铸件气孔及强塑性的影响[35]。。。。。

(3)焊接修补工艺。。。。。

热等静压可以消除铸件内部缺陷，，，，，，可是无法消除铸件外貌缺陷，，，，，，甚至还会将内部孔隙转移至铸件外貌。。。。。以是，，，，，，在热等静压处置惩罚后，，，，，，往往需要对钛铸件外貌和内部举行检测,若外貌保存凹坑缺陷，，，，，，内部保存夹杂等，，，，，，需要接纳焊接举行修补。。。。。惰性气体钨弧焊是钛合金焊接常用的工艺，，，，，，别的尚有激光焊接、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。。。。。大部分的钛合金具有较好的可焊性,焊接修补后的钛合金铸件仍具有优良的强塑性和疲劳性能。。。。。可是，，，，，，焊接历程中还需注重焊前准备,包管焊缝质量和抑制焊接变形开裂。。。。。焊缝质量主要通过控制；；；；；て迤蘸吞岣吆附忧蛲饷睬褰喽仁迪。。。。。典范合金元素对钛合金焊接性能的影响如表4所示[36]。。。。。焊接历程中熔化的钛合金可能与铸件外貌或气体气氛中的C、O、N、H爆发反应，，，，，，导致焊区脆性增强、韧性下降或开裂等问题。。。。。同时，，，，，，钛合金自身因素和铸件结构也会对焊接质量爆发很大影响。。。。。高温钛合金中添加的Al、Sn、Si等元素在焊接历程中爆发非平衡态凝固,析出脆性有序相会降低铸件焊接讨论的塑韧性[37-39]。。。。。别的,由于铸件差别位置结构差别、厚薄不匀称，，，，，，温度场转变不匀称时爆发的热应力导致差别位置塑性应变差别,从而造成了焊接区或焊接区周围泛起裂纹。。。。。

表4典范合金元素对钛合金焊接性能的影响

Table 4 Influence of typical alloying elements on the welding properties of titanium alloys

2、细密铸造钛合金质料生长

钛合金细密铸造手艺的生长与铸造钛合金质料的生长是相辅相成的。。。。。为充分验展钛合金质料的特征，，，，，，适配合金质料的较差铸造性能，，，，，，需要开发针对性的铸造手艺并一直刷新。。。。。别的，，，，，，为降低铸造难度、控制本钱，，，，，，需要调解钛合金因素,在最洪流平包管使用性能不下降的条件下，，，，，，使合金因素更有利于铸造成形和后处置惩罚。。。。。在这种螺旋上升的态势下，，，，，，钛合金细密铸造手艺和铸造钛合金质料都获得了很大的前进，，，，，，通例铸造钛合金的铸造手艺一直完善，，，，，，新型、高性能铸造钛合金质料也一直被开发出来。。。。。

2.1通例铸造钛合金

现在，，，，，，在航空航天领域应用的铸造钛合金主要是α+β型钛合金和近α钛合金,通例的铸造钛合金及其力学性能见表5。。。。。海内外应用规模最广、使用量最大的α+β型钛合金是ZTC4,ZTC4与TC4的合金因素基内情同。。。。。近a钛合金中，，，，，，ZTA15合金的使用量最多,但显着低于ZTC4钛合金,ZTA15合金因素与TA15相近,泉源于俄罗斯BT20钛合金。。。。。现在，，，，，，我国研制和生产的航空航天用钛合金细密铸件中，，，，，，ZTC4和ZTA15合金的总使用量凌驾了80%。。。。。

海内外科研院所和高校研究团队开展了大宗铸造钛合金的因素调控研究,钛合金中典范合金元素添加对铸造性能和使用性能的影响如表6所示[39-45]。。。。。在ZTC4研究方面,除主元素AI外,主要针对间隙元素举行调控,间隙元素C、O、N、H等对ZTC4性能有较大影响,图7所示为氧、氮、氢三种气体元素对ZTC4力学性能的影响纪律，，，，，，研究发明氢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]。。。。。针对高损伤容性需求的铸件，，，，，，一样平常会接纳低间隙ZTC4合金(ZTC4ELI)。。。。。研究批注,微量Fe(<0.24%)对低间隙TC4具有较好的固溶强化作用,可在断裂韧性稳固的条件下提高抗拉强度[47]。。。。。

近几十年来，，，，，，为知足航空发念头机匣和叶片等铸件对高温蠕变及高温强度等需求,多种铸造高温钛合金被开发出来。。。。。表7所示为典范的高温高强钛合金牌号及力学性能。。。。。耐550℃高温钛合金较多,海内外合金牌号主要有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开展了ZTi55和ZTi60油箱骨架的熔模铸造工艺和后处置惩罚工艺研究,通过浇注系统优化,实现了高速航行器油箱骨架件的完整充型,并解决了焊接易开裂问题,附铸试棒和铸件本体力学性能知足指标要求。。。。。中国科学院金属所在ZTi55和ZTi60合金铸造工艺及铸件性能调控方面举行了系统研究[48],效果批注，，，，，，ZTi55和ZTi60合金的铸态组织显着较Ti-6Al-4V细小,铸态β晶粒尺寸与其母合金铸造后β热处置惩罚组织的晶粒尺寸相当。。。。。ZTi55合金的拉伸性能显着优于ZTC4和ZTA15合金，，，，，，600℃/400 MPa/30 min下蠕变剩余变形仅为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,虽然使用温度达不到500℃,但其室温屈服强度可凌驾1000MPa,高温强度和抗蠕变性能也较好[49]。。。。。相较于近a钛合金,近年来铸造β钛合金的研究和应用少少。。。。。铸造近a高温钛合金有轻质、耐高温、高强塑性及低本钱优势,在航空航天大型重大结构件上有辽阔的应用远景,是耐高温钛基合金的主要生长偏向之一。。。。。

表5通例铸造钛合金及其室温力学性能

Table 5 Conventional casting titanium alloy and its mechanical properties at room temperature

表6典范合金元素对铸造钛合金使用性能和铸造性能的影响

Table 6 Influence of typical alloying elements on the performance and casting performance of casting titanium alloy

表7典范铸造高温钛合金牌号及室温力学性能

Table 7 Typical high-temperature casting titanium alloy grades and mechanical properties at room temperature

2.2耐600℃以上铸造钛基合金

随着航空航天领域对航行器航行速率和距离需求的一直提高，，，，，，对零部件耐高温顺轻量化的要求也一直提升。。。。。航行器超音速航行使零部件气动升温，，，，，，对耐高温要求已凌驾钛合金热障温度600℃,通例钛合金无法知足云云高温性能要求。。。。。目今，，，，，，绝大部分耐600℃以上高温零部件一样平常接纳耐热温度高于700℃的镍基高温合金质料，，，，，，但其密度抵达8.4g/cm3，，，，，，比钛 H合金的密度高86%,但比强度缺乏钛合金[50]。。。。。近年来，，，，，，耐600℃以上高温的近a钛合金、钛铝合金和 Ti₂AlNb合金取得了长足生长，，，，，，新牌号、新因素一直被开发出来。。。。。表8[51-58]所示为差别高温钛基合金的高温力学性能。。。。。

现在，，，，，，耐600℃以上铸造钛合金较少,现在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合金因素改良而来，，，，，，与铸造Ti65合金相比，，，，，，ZTi65合金的Ta和W含量减半，，，，，，其他合金元素基本稳固，，，，，，虽然牺牲了一定的高温强度，，，，，，但较大地提升了铸造性能，，，，，，现在可浇注最大轮廓已凌驾1200 mm的发念头机匣和油箱骨架等产品。。。。。然而，，，，，，ZTi65合金焊接性能较差，，，，，，大型薄壁异构件的焊接开裂倾向严重，，，，，，焊接工艺不可熟，，，，，，热处置惩罚和热等静压等后处置惩罚工艺还未形成标准化。。。。。

TiAl合金密度比通例钛合金更小(约4g/cm3),具有优异的高温抗蠕变和抗氧化性能[59],可替换镍基高温合金在航空发念头600~1000℃高温区服役。。。。。可是，，，，，，钛铝合金比一样平常钛合金的热加工难度更大，，，，，，热变形开裂倾向大，，，，，，机械加工越发难题，，，，，，这些问题使得细密铸造手艺成为TiAl合金细密成形的更优选择。。。。。现在工业化应用中主要是二代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。。。。。wmet公司和PCC公司接纳Ti-4822合金和熔模铸造工艺生产航空发念头叶片和机匣类部件[28]。。。。。海内也具备生产中小尺寸TiAl合金铸件能力,如中国科学院金属所生产的45XD合金低压涡轮叶片和西北工业大学接纳熔模铸造工艺研发的TNM合金航天航行器格栅。。。。。由于TiAl合金铸造工艺不可熟,现在尚未见Φ1000mm尺寸TiAl合金精铸件应用的果真报道。。。。。

TiAl合金细密铸件的研制及批量化生产需要解决许多问题。。。。。TiAl合金在熔融状态下活性高、流动性差、凝固缩短率大、凝固历程易开裂，，，，，，这些特征为重大薄壁构件的尺寸精度控制、外貌质量、内部缺陷控制提出了较大挑战。。。。。有研究批注，，，，，，关于基础尺寸为10~80mm的铸件,Ti-4822合金的自由线缩短率为3.11%~2.0是通例ZTC4合金的2倍左右[60]缩率大导致TiAl合金铸件尺寸难以控制、剩余应力大、易开裂报废。。。。。此能。。。。。外,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,浇注历程中熔融TiAl合金容易与面层型壳中的SiO2反应[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。。。。。因此，，，，，，TiAl合金需要接纳惰性极佳的钇溶胶作为粘结剂以及Y₂O₃作为耐火质料。。。。。总之，，，，，，提升TiAl合金熔模铸造质量需要同时控制好凝固缩短与外貌质量，，，，，，优选耐火质料、优化粘结剂并定制烧结工艺,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合金比大大都TiAl合金高温强塑性和抗蠕变性能更好，，，，，，其使用温度高达800℃,具有很大的替换铸造镍基高温合金的潜力。。。。。由于Ti₂AlNb合金熔点高、流动性差等题,现在仅有少数科研单位,如北京钢研院和北京航材院等开展了中小型Ti₂AlNb精铸件产品研发，，，，，，尚无Ti₂AlNb合金铸件的工程化应用。。。。。现在只有Ti₂AlNb基合金的锻件应用于一些低危害的航空航天部件中，，，，，，如导弹发念头喷嘴、导弹轨控发念头喷管毗连件、卫星发念头构件、航空发念头机匣试验件等。。。。。研究发明,接纳通例铸造法制备的Ti₂AlNb合金铸件，，，，，，保存组织粗大、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%，，，，，，在缩孔和缩松等缺陷的问题开展了收热等静压试验,有用消除了铸造缺，，，，，，并提高铸件致密度，，，，，，改善铸件性是，，，，，，针对Ti₂AlNb合金铸造性能及工艺研究的果真报道鲜见,尚无Ti₂AlNb合金大型熔模精铸件工程化应用的实例。。。。。

表8耐600℃以上高温钛基合金及其高温力学性能

Table 8 Titanium-based alloys resistant to above 600  °Cand their high-temperature mechanical properties

3、钛合金精铸件在航空航天航行器上的应用现状

经由几十年的生长，，，，，，钛合金精铸件已经普遍应用于航空航天航行器的要害结构件,尤其是整体精铸件的使用为航行器结构稳固性提升、延伸机体寿命、整体减重、镌汰装配难度、降低制造本钱都做出了主要孝顺。。。。。通例钛合金细密铸件在航空航行器上的应用最为突出。。。。。1972年起，，，，，，铸造钛合金最先正式应用于飞机上，，，，，，首先被用于受力不大的非要害静止结构件上，，，，，，如发念头罩、隔板、油路导管等。。。。。随着铸件性能的提升,钛合金细密铸件也最先用于一些要害的承力部位，，，，，，美国PCC、Howmet等公司接纳Ti6Al4V钛合金及细密铸造手艺生产了CF6-80发念头装置吊架细密铸件、GE90发念头电扇轮毂、F117发念头燃烧室前部铸件、波音777发念头后装置框架、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讨论垂尾偏向舵作动筒支座等。。。。。美国F-22战斗机上使用的钛合金铸件约莫有76件左右，，，，，，包括倾斜隔板、辅助动力装置入口框、座舱面板、主机翼组件、偏向舵铰链副等。。。。。我国歼20也大宗接纳了钛合金细密铸件,其中尾翼垂尾即接纳钛合金整体细密铸件。。。。。北京航材院已成为空客CFM 56-7发念头支板的主要供应商，，，，，，并成为LEAP-1A、1B、1C发念头的钛合金铸件供应商。。。。。钛合金细密铸件的大宗使用镌汰了航空发念头螺栓机械毗连的数目，，，，，，降低了制造本钱和工艺难度，，，，，，提升了机体寿命。。。。。

除了通例钛合金细密铸件外，，，，，，TiAl合金细密铸件在航空航行器上的应用也有较大突破。。。。。早在20世纪90年月，，，，，，NASA民用超音速飞机的发念头排气喷嘴翼板和支持梁便接纳熔模铸造TiAl合金打造。。。。。1993年,美国Howmet公司首次接纳Ti-4822合金铸造出低压涡轮叶片，，，，，，并在CF6-80C发念头试车。。。。。2006年，，，，，，PCC公司通过熔模细密铸造将Ti-4822应用到GE公司最新一代发念头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，，，，，，首次实现了TiAl合金在航空发念头中的规；；；；；τ,使发念头质量减轻约180kg。。。。。中国科学院金属所、北京航材院、西北工业大学、哈尔滨工业大学研制了TiAl合金扩压器、叶片和增压器涡轮等铸件[64]。。。。。中国科学院金属所生产的45XD合金低压涡轮叶片已完成英国罗·罗公司的TrentXWB大推力、大涵道比发念头审核验证,未来还将用于国产大飞机C919的长江发念头上。。。。。沈阳铸造研究所接纳熔模细密铸造手艺,乐成研制出最大尺寸为800mm的薄壁TiAl合金弹翼骨架，，，，，，鼎力大举推动了TiAl合金铸件在航天领域的应用[65]。。。。。

钛合金在低温条件下坚持了较高的强度、韧性，，，，，，其耐疲劳、无磁性等特征知足宇宙空间极端服役情形要求,因此在航天航行器上也有较多应用。。。。。钛合金铸件在导弹上使用较量普遍，，，，，，有尾翼、弹头壳体、火箭壳体及毗连座等。。。。。航天航行器和人造卫星使用的钛合金铸件主要是一些支座、板架与讨论等结构件和人造卫星上照相机框架等。。。。。图8所示为几种典范的航空航天航行器用钛合金细密铸件[66]。。。。。

4、结论与展望

本文综述了近年来钛合金细密铸造手艺、质料和产品在航空航天领域的应用希望。。。。。我国在铸造钛合金质料开发上已走在天下前线,钛合金细密铸造手艺基本实现国产化,并大批量应用于航空航天航行器要害结构件上;可是我国钛合金细密铸造手艺企业与美国先进细密铸造企业相比仍有一定差别，，，，，，钛合金精铸件应用方面也保存一些亟待解决的难题。。。。。(1)新型铸造钛合金推广应用缓慢。。。。。现在航空航天领域应用最普遍的铸造钛合金仍为ZTC4和ZTA15两种,新型铸造钛合金如ZTi65、TiAl合金等的应用仍未取得突破性希望。。。。。新型铸造钛合金一样平常从铸造钛合金因素改良而来，，，，，，铸造工艺性能和力学性能数据无法适用于铸造，，，，，，开发新型铸造钛合金细密铸件的周期长、本钱高、应用规模较窄，，，，，，这些因素都制约了新型铸造钛合金的推广应用。。。。。

(2)钛合金细密铸造生产本钱下降难。。。。。细密铸造原质料、手艺和市场配相助用导致本钱难以下降，，，，，，钛合金型壳质料价钱腾贵且为一次性使用，，，，，，真空熔炼环节对装备要求高，，，，，，且生产效率较低，，，，，，铸件结构日趋重大化、多流程工艺控制难，，，，，，导致铸件良品率低。。。。。企业获得国家重大项目订单保存较高的手艺壁垒和资质壁垒，，，，，，研发本钱居高不下，，，，，，投入产出回报周期长。。。。。

(3)钛合金细密铸造模拟仿真手艺落伍。。。。。现在钛合金细密铸造的模拟仿真手艺还保存国产软件使用率低，，，，，，外洋模拟仿真软件垄断等问题。。。。。别的，，，，，，大宗铸造生产历程参数无法直接丈量，，，，，，或丈量准确性差，，，，，，模拟仿真工艺参数与现实生产的工艺参数不匹配，，，，，，质料基础数据库更新与新质料开发希望严重脱节，，，，，，铸造模拟仿真人才匮乏，，，，，，仿真软件使用和二次开发等希望缓慢。。。。。

(4)钛合金增材制造崛起的强力竞争。。。。。与细密铸造类似，，，，，，钛合金增材制造也是近净成形手艺，，，，，，并且成形精度高、生产周期短、强度高，，，，，，现在已经在航空航天领域获得了一定应用。。。。。虽然很长时间内受粉体价钱高、产能缺乏等问题所限，，，，，，增材制造的价钱比细密铸造更高，，，，，，市场推广应用受阻，，，，，，但随粉体价钱的一直下探、装备供应日益富足,增材制造钛合金零部件的市场竞争力逐渐展现。。。。。

为解决我国钛合金细密铸造生长中保存的难题，，，，，，提升钛合金细密铸造的应用水平，，，，，，可以从如下几个方面举行刷新。。。。。

(1)建设新型铸造钛合金因素-铸造性能-力学性能数据库。。。。。通过对影响合金流动性的热物理参数举行热力学盘算、数值模拟试验，，，，，，团结流动性验证试验,获得有利于提高流动性的因素。。。。。通过高通量第一性原理盘算，，，，，，建设合金基本物性及电子特征参量数据库,团结数据挖掘与机械学习手艺,获得差别力学性能梯度的合金因素并开展浇注验证。。。。。耦合提高铸造性能和力学性能的影响机制，，，，，，从因素设计到试验验证,再到综合优化,逐步建设合金因素-铸造性能-力学性能数据库。。。。。

(2)使用数字孪外行艺降低生产本钱。。。。。对现有装备举行数字化刷新，，，，，，量化蜡模、？？？？？？呛椭质量，，，，，，开展工艺数据统计、细腻化本钱盘算。。。。。在大批量铸件产品工艺、质量数据基础上,研究铸造全流程要害工艺参数对铸件外貌质量、尺寸精度、力学性能的影响纪律，，，，，，使用数字孪外行艺举行要害工艺参数的智能决议，，，，，，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，，，，，，进而降低生产本钱。。。。。

(3)鼎力大举生长国产铸造模拟软件。。。。。铸造模拟软件是铸造行业的底层基础，，，，，，现在铸造模拟软件被法国Procast、韩国Anycasting等恒久垄断，，，，，，国产软件由于数据库缺乏、功效缺失、展望准确度差，，，，，，市场渗透率较低。。。。。我国应鼎力大举生长国产铸造模拟软件，，，，，，通过软件公司-铸造企业-高等院校团结攻关，，，，，，开发及优化焦点算法，，，，，，完善铸造质料数据库，，，，，，作育专业人才步队,协力提升国产铸造模拟软件的手艺水平。。。。。

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（注，，，，，，原文问题：钛合金细密铸造手艺在航空航天领域的应用希望）

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