钛和钛合金因其比强度高、密度低、热导率低、抗高温氧化能力强和优异的耐侵蚀等性能，，，，，被普遍应用于现代国防、航空航天、海洋船舶、化工装备等制造领域中，，，，，尤其是在航空航天工业领域，，，，，被誉为正在崛起的“第三金属”、“智能金属”，，，，，是主要的战略金属质料。。。。。。。。随着装备制造领域的快速生长，，，，，对钛合金要害零部件的尺寸精度、可靠性以及本体性能的要求日益严苛[1-2]。。。。。。。。近年来，，，，，为顺应钛合金铸件重大、薄壁及细密化的研制需求，，，，，钛合金石墨型铸造、金属型铸造、熔模细密铸造、砂型铸造等工艺获得了一直刷新与生长，，，，，但仍保存一定的局限性。。。。。。。。其中，，，，，石墨铸型激冷能力强，，，，，熔融钛液在石墨铸型中冷却速率较快，，，，，造成浇缺乏、冷隔、流痕及微裂纹等缺陷，，，，，并且保存严重的渗碳征象，，，，，对钛合金铸件外貌爆发严重影响，，，，，很洪流平上限制了钛合金石墨型铸造手艺的进一步生长[3-4]。。。。。。。。钛合金金属型铸造中金属铸型无透气性，，，，，型腔中气体在金属液充填时无法有用倾轧，，，，，会形成气阻，，，，，造成浇缺乏，，，，，气体侵入铸件爆发气孔，，，，，极大地影响了铸件的性能。。。。。。。。另外，，，，，金属铸型往往还要配合耐火涂料使用，，，，，试验条件严苛，，，，，海内外关于钛合金金属型铸造的研究也鲜有报道[5-6]。。。。。。。。另外，，，，，由于钛合金的流动性较差，，，，，一样平常需要接纳外力辅助的离心铸造或反重力铸造手艺，，，，，其中离心铸造可以增添钛合金熔体的充型能力，，，，，因此，，，，，大部分高性能的钛合金精铸件接纳熔模细密铸造团结离心铸造手艺生产[7-8]。。。。。。。。作为一种先进的近净成形工艺，，，，，钛合金熔模细密铸造工艺主要被用于生产航空航天领域所需的重大薄壁细密铸件。。。。。。。。典范的小尺寸细密铸件和飞机机体用细密铸件等体现为铸件尺寸精度高［（100±0.1）mm]、外貌粗糙度可达Ra3.2～6.3μm，，，，，铸件性能优异，，，，，这也涤讪了细密铸造在钛合金铸造中的主导职位。。。。。。。。图1为通过熔模铸造制备的小型钛合金细密件和某飞机机体用薄壁ZTC4合金精铸件。。。。。。。。

图 1　 熔模铸造制备的钛合金小型细密件和飞机机体用薄壁 ＺＴＣ４ 合金铸件 ［９ － 1０]

Fig． 1。。。。。。。。樱恚幔欤臁。。。。。。。。穑颍澹鉯ｓiｏｎ。。。。。。。。穑幔颍簦蟆。。。。。。。。颋。。。。。。。。鬷ｔａｎiｕｍ。。。。。。。。幔欤欤铮猓鵬ｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔiｎg　 ａｎｄ。。。。。。。。簦鑙ｎ － ｗａｌｌｅｄ。。。。。。。。冢裕茫矗幔欤欤铮悖幔螅鬷ｎgｓ　FｏｒａiｒｃｒａFｔ。。。。。。。。醝ｒFｒａｍｅｓ[９ － 1０]

然而，，，，，钛合金熔模铸造工艺在模料、容貌制备、面层耐火质料和黏结剂选择方面还保存一定的手艺问题，，，，，尤其是制备周期长、工艺流程繁琐、铸件尺寸不可太大、铸件冷却速率较慢等，，，，，这不但会增添钛合金铸件的生产本钱，，，，，还会限制钛合金的进一步应用，，，，，因此有须要生长其他的钛合金铸造要领[9-13]。。。。。。。。

相比于熔模细密铸造，，，，，钛合金砂型铸造具有可制备大型铸件以及本钱低、效率高等优势，，，，，现在工程上有取代部分精铸件以及从简朴铸件到重大铸件制备的需求。。。。。。。。

可是现在钛合金古板砂型铸造依然保存一定的局限性，，，，，这是由于熔融的钛合金具有很高的化学活性，，，，，险些可以与所有的耐火质料反应，，，，，熔融钛与铸型的相互作用会使铸件外貌形成污染层，，，，，极大地影响铸件的外貌品质和性能[14]。。。。。。。。并且古板砂型铸造要领难以快速制备重大异形整体砂芯，，，，，也无法包管铸型的尺寸精度，，，，，这些手艺问题限制了钛合金砂型铸造的生长。。。。。。。。因此，，，，，开发一种制造本钱低、生产周期短、尺寸精度高的钛合金快速制造成形工艺成为关注焦点。。。。。。。。3D打印手艺可直接制备砂型/芯，，，，，可以节约时间、降低本钱，，，，，且不受零件的庞洪水平限制，，，，，因此将3D打印制备重大砂型及砂芯手艺应用在钛合金铸造中获得了普遍关注。。。。。。。。

1、钛合金古板砂型铸造工艺现状

相关于制作周期长、铸造尺寸受限的熔模细密铸造，，，，，砂型铸造更适合于制备中大型厚壁铸件，，，，，且其本钱低、生产无邪性大、适用规模广，，，，，更为环保经济。。。。。。。。现在，，，，，钛合金砂型铸造所接纳的铸型耐火质料有锆砂、铝矾土砂、莫来石、石英砂等，，，，，团结水玻璃、硅酸乙酯、硅溶胶等高温黏结剂，，，，，同时在耐火质料中添加差别辅助质料，，，，，以提高砂型的品质，，，，，极大地推动了钛合金砂型铸造的生长。。。。。。。。然而，，，，，由于钛合金性子非；；；；；；；Ｉ，，，，，在熔炼与浇注历程中极易与通例铸型耐火质料爆发差别水平的交互反应，，，，，影响铸件的外貌品质。。。。。。。。因此，，，，，钛合金浇注用砂型/芯必需严酷控制其发宇量以及涂层惰性化，，，，，且需要一定的高温强度。。。。。。。。现在制备钛合金铸造用砂型/芯的难点在于砂型/芯在800℃以上烘烤温度时，，，，，整体强度较低，，，，，无法举行耐火涂层焙烧，，，，，尤其不可知足钛合金因流动性较差，，，，，所需的外力辅助浇注（如真空离心浇注、低压浇注等）强度要求。。。。。。。。因此，，，，，钛合金砂型铸造工艺对造型用耐火质料、砂型/芯外貌涂覆的涂料和砂型强度均有很高的要求。。。。。。。。现在海内外关于钛合金砂型铸造工艺的研究较少。。。。。。。。

锆砂（ZrSiO4）是常用的钛铸造耐火质料之一，，，，，具有熔点高、优异的流动性、相对较高的电导率和更好的尺寸稳固性。。。。。。。。现在锆砂模具已普遍应用于铸铁和其他有色金属铸造领域，，，，，对厚壁优质铸件有优异的效果。。。。。。。。研究发明，，，，，水玻璃黏结剂锆砂砂型，，，，，具有一定的高温强度和优异的溃散性，，，，，不但能够遭受高温熔融钛的攻击作用，，，，，并且钛熔体与砂型间界面反应较弱，，，，，获得的铸件外貌的富氧层较少，，，，，因此是一种较量好的钛合金砂型铸造要领[15-17]。。。。。。。。别的，，，，，增添锆砂中ZrO2的含量，，，，，能有用镌汰钛铸件外貌的污染。。。。。。。。图2为手工捣实制备的水玻璃粘结剂锆砂铸型和浇注获得的典范钛合金铸件。。。。。。。。McDeavittSM等[18]选用锆砂和橄榄石砂作为耐火质料，，，，，以膨润土为粘结剂，，，，，接纳捣实特种砂型工艺，，，，，乐成制备出砂型浇注的钛合金铸件，，，，，见图3。。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，铸件外貌品质优异无显着缺陷。。。。。。。。效果批注，，，，，橄榄石砂型仅适适用来生产小型铸件，，，，，而锆砂砂型可用于浇注大型钛合金铸件，，，，，这批注锆砂是一种具有辽阔开发远景的钛合金铸型质料。。。。。。。。

（ ａ ）水玻璃黏结剂锆砂铸型 （ ｂ ）浇注的典范钛合金铸件

图２水玻璃黏结剂锆砂铸型和浇注的典范钛合金铸件 ［1５]

Fig． ２。。。。。。。。趇ｒｃｏｎiｕｍ。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。恚铮欤洹。。。。。。。。颋。。。。。。。。螅铮鋓ｕｍ。。。。。。。。骾ｌiｃａｔｅ。。。。。。。。鈏ｎｄｅｒ。。。。。。。。幔睿洌簦餴ｃａｌ。。。。。。。。穑铮酰騣ｎg　 ｔiｔａｎiｕｍ。。。。。。。。幔欤欤铮悖幔螅鬷ｎgｓ[1５]

（ ａ ）锆砂砂型浇注的钛合金铸件 （ ｂ ）橄榄石砂型浇注的钛合金铸件

图３两种差别砂型浇注的钛合金铸件 ［1８]

Fig． ３。。。。。。。。詉ｔａｎiｕｍ。。。。。。。。幔欤欤铮 ｃａｓｔiｎgｓ。。。。。。。。穑铮酰颍澹洹。。。。。。。。猓 ｄiFFｅｒｅｎｔ。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。恚铮酰欤洌骩1８ ]

王峥［19]、吴东辉[20]在BT20钛合金砂型铸造与熔模铸造的比照研究中，，，，，选用锆砂作为耐火质料，，，，，水玻璃为粘结剂，，，，，团结ZrO2涂料为惰性涂层，，，，，制备了锆砂砂型；；；；；；；；选用ZrO2陶瓷型壳团结复合粘结剂制备熔模子壳，，，，，最后举行锆砂砂型和熔模子壳的钛合金浇注试验，，，，，均乐成浇注出蹊径板状BT20钛合金铸件，，，，，并着重研究了

差别壁厚和差别热处置惩罚方法对蹊径板状钛合金铸件的界面反应、组织和力学性能的影响。。。。。。。。效果发明，，，，，相比于熔模子壳，，，，，团结ZrO2涂层的锆砂铸型外貌扩散反应层厚度最小，，，，，且锆砂砂型中的BT20钛合金散热条件优于熔模子壳，，，，，因此获得的钛合金铸件组织也更为细小。。。。。。。。同时，，，，，锆砂砂型铸造BT20合金铸态下强度较熔模铸造BT20合金高，，，，，在壁厚为10mm处，，，，，二者抗拉强度相差42.4MPa，，，，，这说明在某些情形下砂型铸造能有用填补熔模铸造的缺乏。。。。。。。。郭迎庆等[21]研究了一种钛合金铸造用覆膜锆砂砂型的制备要领，，，，，选取化学性子稳固、耐高温的硅酸锆粉末作为耐火质料，，，，，再搅拌混淆树脂、偶联剂、六亚甲基四胺水溶液，，，，，在制备的砂型铸型外貌渗透喷涂一层Y2O3与钇溶胶混淆液，，，，，避免因熔融钛在铸造成形时与锆砂铸型质料爆发界面反应爆发缺陷。。。。。。。。该要领制备的铸型具有较佳的力学性能，，，，，最终浇注出的钛合金铸件外貌平整、尺寸精度高、金属成形性优良，，，，，但海内现在还缺少后续的相关现实工程应用报道。。。。。。。。

图4为钛合金泵体铸造用砂型铸型。。。。。。。。除锆砂外，，，，，铝矾土和莫来石也可以用于钛合金砂型铸造的耐火质料。。。。。。。。

图 ４　 钛合金泵体铸造用砂型铸型 ［２２]

Fig． ４。。。。。。。。樱幔睿洹。。。。。。。。恚铮欤洹ｏｒ。。。。。。。。鬷ｔａｎiｕｍ。。。。。。。。幔欤欤铮。。。。。。。。穑酰恚穑猓铮洌 ｃａｓｔiｎg[２２]

肖强伟等[22-24]选用铝矾土混淆物作为耐火质料，，，，，配合硅溶胶无机粘结剂，，，，，制备特种砂型，，，，，并选用Y2O3料浆作为耐火面层质料，，，，，对铸型事情外貌举行喷涂处置惩罚，，，，，以提高铸型外貌惰性和抗热攻击性能，，，，，最终制备了成形完整，，，，，外貌品质好，，，，，化学因素和力学性能均知足指标的大型钛合金泵体铸件。。。。。。。。但铸件尺寸保存误差且铸件内部保存少量缩孔，，，，，还需经由热处置惩罚、热等静压手艺或其他组合后处置惩罚工艺来提高铸件品质。。。。。。。。整体上，，，，，该砂型铸造工艺适用于大型钛合金铸件的制造。。。。。。。。

王涛亮等［25]以莫来石为主要造型质料，，，，，惰性子料作为面层质料制备复合砂型，，，，，用真空凝壳炉熔炼浇注，，，，，乐成制备了钛合金壳体铸件。。。。。。。。效果批注，，，，，铸件外貌无化学粘砂，，，，，经Ｘ射线检查发明，，，，，铸件内部无裂纹、夹渣缺陷。。。。。。。。铸件的化学因素、力学性能均抵达标准要求。。。。。。。。该工艺与石墨型铸造工艺相比，，，，，铸件外貌和内部品质获得显着改善，，，，，铸造本钱降低近50％。。。。。。。。图5为浇注钛合金用的砂型砂芯和浇注后铸件实物图。。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，钛合金砂型铸造可乐成浇注出切合要求的大型钛合金铸件，，，，，钛合金砂型铸造与熔模铸造体现出较好的互补性。。。。。。。。通过接纳更多的耐火质料种类和生长改性硅溶胶、磷酸盐等高温无机粘结剂，，，，，同时更具经济性，，，，，钛合金砂型铸造将成为钛合金铸件的主要铸造要领之一。。。。。。。。

图 ５　 砂型、砂芯实物图和浇注后铸件实物图 ［２５]

Fig． ５。。。。。。。。校颍铮洌酰悖簟。。。。。。。。颋。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。恚铮欤洹。。。。。。。。铮颉。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。悖铮颍濉。。。。。。。。幔睿洌悖幔螅鬷ｎgｓ。。。。。。。。酕ｔｅｒ。。。。。。。。穑铮酰騣ｎg[２５]

1． 下型 。。。。。。。。玻 上型 。。。。。。。。常 型芯 。。。。。。。。矗 附铸试样砂型

2、基于3D打印的钛合金细密铸造手艺

随着铸造行业的转型生长，，，，，3D打印手艺已经可以成熟应用于制造铸造用砂型。。。。。。。。现在快速砂型的主要制造工艺有激光选区烧结（SelectivelaSerSintering，，，，，SLS）和三维打。。。。。。。。╰HreeDiMenSionalPrinting，，，，，3DP）。。。。。。。。

通过3D打印手艺直接成形铸造砂型/芯可节约时间、降低本钱，，，，，具有无模制造、响应速率快、设计自由度大、可制备恣意重大形状，，，，，砂型与砂芯整体一体化制造，，，，，以及成形砂型的尺寸精度高等特点。。。。。。。。砂型经由处置惩罚后可直接浇注金属液，，，，，可以快速获得所需铸件，，，，，显著提升了重大铸件的快速制造速率和水平。。。。。。。。将3D打印制备重大砂型及砂芯手艺应用在钛合金铸造中，，，，，能镌汰繁琐的办法且不需要特定的模具和其他辅助工具，，，，，已逐步生长成重大结构铸型制备的一种主要手段，，，，，且与通俗的砂型铸造具有很好的互补性，，，，，具有较好的工程意义和科学研究价值。。。。。。。。

2.1基于SLS的钛合金砂型铸造手艺

通过SLS手艺直接成形砂型、砂芯，，，，，具有响应速率快、制造周期短、无邪性高、稳固性好、砂型与砂芯一体化制造及可制造出恣意重大形状等优点，，，，，能大幅提升大型重大铸件的快速试制和制造水平。。。。。。。。该手艺在航空航天及汽车等领域解决一些要害铸件的生产展现出重大潜力，，，，，其事情原理见图6。。。。。。。。首先通过专用软件对零件的三维caD模子举行分层切片处置惩罚，，，，，天生Stl文件，，，，，文件中生涯着各层截面的轮廓信息。。。。。。。。然后接纳铺粉装置将粉末质料平铺在事情台上，，，，，再使用激光束的热作用，，，，，凭证轮廓数据对目的区域内的粉末举行烧结，，，，，每烧结完一层后事情台凭证截片厚度下降相同高度，，，，，铺粉筒将粉末铺平后继续下一层扫描，，，，，未扫描到的地方则是松散的粉末并起到支持和；；；；；；；；ぷ饔，，，，，云云重复层层烧结直至最终完成，，，，，经由清粉、修磨、后处置惩罚等工艺即获得所需制件[26-27]。。。。。。。。相比于3DP工艺，，，，，SLS工艺能使用更多种类的质料，，，，，使用率和成形精度也比大部分3DP打印手艺要高。。。。。。。。

图６。。。。。。。。樱蹋邮虑樵硗

Fig． ６。。。。。。。。停澹悖瑁幔頸ｓｍ。。。。。。。。鋓ａgｒａｍ。。。。。。。。颋。。。。。。。。樱蹋

1． 铺粉筒 。。。。。。。。玻 镜面 。。。。。。。。常 激光束 。。。。。。。。矗 加热器 。。。。。。。。担 粉末 。。。。。。。。叮 事情台

careYSrPr等[28]将覆膜砂作为烧结质料，，，，，并直接将覆膜砂质料通过SLS手艺制备铸造用砂型/芯。。。。。。。。美国DtM公司最先开发出了酚醛树脂覆膜砂质料，，，，，并乐成将其用于SLS覆膜砂型/芯成形，，，，，已用于航空、汽车工业领域等重大铸件的生产。。。。。。。。孙忠良等[29]使用eoSintS700系统制造的树脂砂型，，，，，也已用于重大铸件的生产。。。。。。。。别的，，，，，海内外在基于SLS的快速砂型制造的工艺参数上也做了大宗研究，，，，，如通过调控差别激光功率、扫描速率和光斑直径等SLS工艺参数以及差别后处置惩罚的工艺参数，，，，，从而获得外貌品质好，，，，，性能知足浇注要求的砂型/芯，，，，，推动了SLS手艺在无？？？？？？？焖僦炝煊虻纳30-33]。。。。。。。。现在，，，，，SLS成形砂型/芯手艺还主要应用在铸铝、铸钢及铸铁等材质的零件生产。。。。。。。。史玉升等[34]使用覆膜树脂硅砂直接烧结砂型/芯，，，，，乐成浇注出摩托车气缸体、汽缸盖和涡轮等铸件。。。。。。。。王鹏程等[35]以轮形铸件为例“反求”精铸型壳模子，，，，，对直接烧结的覆膜树脂砂型后处置惩罚，，，，，最终乐成浇注了铸铝、铸铁和铸钢件，，，，，为单件、小批量重大铸件生产提供了一种快速、低本钱的数字化先进制造要领。。。。。。。。杨劲松等[36]通过比照剖析多种铸造工艺要领，，，，，最终选用SLS成形手艺直接制备出重大液压阀体的砂型/芯，，，，，并乐成浇注出内腔流道平滑且尺寸及格的阀体铸铁件。。。。。。。。梁小文等[37]接纳选区激光烧结直接制备整体砂芯，，，，，并接纳低压铸造成形，，，，，获得了冶金品质好的重大曲面油箱接受铝铸件，，，，，实现了薄壁铝铸件

油管的细密砂型快速铸造，，，，，知足了使用要求。。。。。。。。李偲偲等[38]研究了基于SLS覆膜砂型、砂芯的镁合金快速铸造工艺，，，，，通过在覆膜砂中加入阻燃剂抑制镁合金在浇注时的氧化燃烧，，，，，实现了镁合金铸件的近净成形，，，，，推动了使用覆膜砂举行SLS成形手艺在镁合金铸造领域的应用。。。。。。。。图7为适用于SLS手艺的差别粒度搭配的超细砂和接纳SLS手艺制备的结构重大的典范一体化砂型砂芯。。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，打印的砂型与多个砂芯一体化组合，，，，，不但能实现砂型内部的准确定位，，，，，还能包管整个砂型的尺寸精度。。。。。。。。

图 ７　 适用于 ＳＬＳ 手艺的差别粒度搭配的超细砂和 ＳＬＳ制备的一体化重大砂型及砂芯 ［３７]

Fig． ７。。。。。。。。眨欤簦颍 － Fiｎｅ。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。鱥ｔｈ。。。。。。。。鋓FFｅｒｅｎｔ。。。。。。。。穑幔颍鬷ｃｌｅ。。。。。。。。骾ｚｅｓ。。。。。。。。螅鮥ｔａｂｌｅFｏｒ。。。。。。。。樱蹋印。。。。。。。。簦澹悖瑁睿铮欤飃ｙ　 ａｎｄ　iｎｔｅgｒａｔｅｄ。。。。。。。。悖铮恚穑欤澹。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。铮颉。。。。。。。。悖铮颍澹穑颍澹穑幔颍澹洹。。。。。。。。猓 ＳＬＳ[３７]

相比于古板造型手艺，，，，，现在SLS制备砂型/芯大部分都是接纳石英砂与有机粘结剂的逐层打印快速成形，，，，，故制备的砂芯初强度偏低、树脂含量高，，，，，经后固化处置惩罚的砂型/芯发宇量大，，，，，砂型热强度不高，，，，，并且由于熔融钛具有很高的化学活性，，，，，铸造成形时极易与通例铸型质料爆发界面反应，，，，，导致钛铸件外貌爆发较厚的氧化层、粘砂、外貌夹杂及气孔等一系列的铸造缺陷，，，，，因此SLS制备砂型/芯难以直接浇注高温化学性子生动的钛合金，，，，，这些因素限制了SLS覆膜砂型/芯在钛合金铸造中的应用。。。。。。。。钛合金铸造用砂型/芯应具有较高的热强度、较低的膨胀系数以及较高的化学惰性，，，，，以包管钛合金铸造历程不爆发铸型严重开裂，，，，，同时避免化学活性较高的熔融钛合金与耐火氧化物爆发强烈的化学反应[39-40]。。。。。。。。因此，，，，，研究适合于钛合金铸造的SLS用的砂型质料和制备工艺，，，，，关于推广SLS快速成形手艺在钛合金铸造领域的应用有着起劲作用。。。。。。。。

为了更好地解决一些重大钛合金要害铸件的制备问题，，，，，研究者举行了大宗基于SLS手艺的钛合金铸造用砂型/芯的无机粘结剂浸渗和焙烧工艺研究。。。。。。。。Harlannr等［41-42]选用ZrO2粉末与共聚物混相助为耐火质料，，，，，接纳甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯混淆液（摩尔比为80:20）对ZrO2粉末举行覆膜，，，，，其中黏结剂含量占30％，，，，，并接纳烧结层厚为127μm、激光扫描间距为76μm、烧结速率为40.6cM/S、激光功率为5Ｗ的工艺举行SLS砂型制备。。。。。。。。对制备后的砂型举行锆溶胶的浸渗和烧结，，，，，在500℃下使黏结剂爆发裂解，，，，，然后举行1500℃×10H的高温烧结处置惩罚。。。。。。。。图8为SLSZrO2＋体积分数为30％共聚物条件下制备的试样经烧结后的形貌和浸渗锆溶胶并经由高温焙烧后的砂型形貌。。。。。。。。从图8a可以看到，，，，，大部分砂粒外貌附着黏结剂，，，，，并通过砂粒间的黏结剂聚合，，，，，从而具备一定的强度。。。。。。。。从图8ｂ可以看到，，，，，试样经由1400℃×8H高温焙烧后，，，，，共聚物黏结剂烧蚀，，，，，浸渗锆溶胶在氧化锆颗粒间形成桥接，，，，，取代共聚物形成的桥接，，，，，从而提高了砂型的强度。。。。。。。。

图 ８。。。。。。。。樱蹋 烧结后（ ＺｒＯ ２ ＋ 体积分数 ３０％ 共聚物）砂型形貌和 ＺｒＯ ２ ＋浸渗ＺｒＯ ２ ［４1]

Fig． ８。。。。。。。。停铮颍穑瑁铮欤飃iｅｓ。。。。。。。。颋。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。恚铮欤洹。。。。。。。。幔睿洹。。。。。。。。鷌ｒｃｏｎiａ＋iｍｐｒｅgｎａｔｅｄｚiｒｃｏｎiａ。。。。。。。。酕ｔｅｒ。。。。。。。。樱蹋印。。。。。。。。骾ｎｔｅｒiｎg[４1]

（ ａ ）髋枢纽铸件及砂型 （ ｂ ）吹砂后的髋枢纽铸件

图 ９　 制备的砂型模具及浇注后的钛合金铸件 ［４２]

Fig． ９。。。。。。。。校颍澹穑幔颍澹洹。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。恚铮欤洹。。。。。。。。幔睿洹。。。。。。。。鬷ｔａｎiｕｍ。。。。。。。。幔欤欤铮 ｃａｓｔiｎgａFｔｅｒ。。。。。。。。穑铮酰騣ｎg[４２ ]

图9为制备的砂型模具及浇注后的钛合金铸件。。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，获得的钛铸件外貌品质较好，，，，，性能知足要求，，，，，这证实晰通过激光选区烧结手艺生产重大形状的钛合金铸件用砂型，，，，，具有一定的可行性，，，，，且不需要特定的模具或辅助工具蜡模。。。。。。。。赵开发［43]、梁小文等[44]选用锆砂为原砂质料，，，，，酚醛树脂为黏结剂，，，，，团结SLS和钛合金砂型铸造的特点，，，，，快速制备了覆膜锆砂砂型，，，，，并选用Y2O3制备涂层举行纯钛的SLS锆砂砂型浇注试验。。。。。。。。图10为纯钛铸件外貌宏观图和SeM图，，，，，最终获得的钛铸件轮廓清晰、外貌品质较好，，，，，呈灼烁灰玄色。。。。。。。。从图10ｂ可以看出，，，，，铸件外貌仅局部有凹坑及球状凸起，，，，，界面反应层仅约3μm，，，，，起源探讨了SLS锆砂砂型外貌与钛合金铸件的界面反应机理，，，，，批注SLS砂型浇注钛合金金属的可行性，，，，，但其相关研究仅围绕着简单黏结剂睁开研究，，，，，缺少对无机黏结剂和其他耐火质料如硅砂、宝珠砂等在覆膜砂领域的研究。。。。。。。。另外，，，，，该研究仍仅停留在制备简朴小件的实验室研究阶段，，，，，本钱太高，，，，，若要浇注大型重大钛合金铸件还需举行进一步深入研究。。。。。。。。

图1０。。。。。。。。樱蹋又票傅纳靶徒阶⒌拇款阎外貌ＳＥＭ 形貌 ［４３]

Fig． 1０。。。。。。。。樱牛汀。。。。。。。。恚铮颍穑瑁铮欤飃iｅｓ。。。。。。。。颋。。。。。。。。穑酰颍濉。。。。。。。。鬷ｔａｎiｕｍ。。。。。。。。悖幔螅鬷ｎgｓｐｒｅｐａｒｅｄ。。。。。。。。猓 ＳＬＳ[４３ ]

梁培［26]、朱佩兰[45]研究了基于SLS的双黏结剂覆膜砂，，，，，发明单独以nH4H2PO4粉末作为无机黏结剂，，，，，提高其含量及改变SLS烧结工艺参数均无法使颗粒黏结成形。。。。。。。。而在树脂含量为2％的覆膜砂中，，，，，添加少量的nH4H2PO4可大幅降低覆膜砂的发宇量。。。。。。。。在双黏结剂条件下，，，，，将后处置惩罚温度增添到210℃时，，，，，其固化强度可抵达2.02MPa，，，，，可充分验展树脂和nH4H2PO4的黏结性能。。。。。。。。但试验中未对制备的砂型举行高温焙烧，，，，，无法包管其具有较好的高温强度和制备的砂型能否乐成应用于钛合金铸造。。。。。。。。进一步研究批注，，，，，将原砂、覆膜砂与一定含量的差别无机粘结剂及偶联剂等其他辅助质料充分混淆后制备标准试样或简朴铸型，，，，，经由低温顺高温焙烧（＞1000℃）后，，，，，试样和铸型还能有较高的强度（3MPa左右）且外貌品质较好[46-47]。。。。。。。。同时，，，，，对添加某种辅助质料并经事后固化的覆膜砂标准试样举行无机黏结剂的真空浸渗，，，，，经由充分自干并高温焙烧（＞1000℃）后，，，，，试样同样具有一定的强度且外貌质量较好。。。。。。。。效果批注，，，，，在高温条件下无机黏结剂取代有机黏结剂能为砂型提供高温强度，，，，，铸型强度知足钛合金浇注要求。。。。。。。。

图11为经由高温焙烧后的差别工艺试样和简朴铸型。。。。。。。。

图11经由高温焙烧后的差别工艺试样和简朴铸型

Fig． 11。。。。。。。。樱穑澹鉯ｍｅｎｓ。。。。。。。。幔睿洹。。。。。。。。骾ｍｐｌｅ。。。。。。。。悖幔螅鬷ｎg　 ｍｏｌｄ。。。。。。。。酰睿洌澹颉。。。。。。。。鋓FFｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓ。。。。。。。。酕ｔｅｒ。。。。。。。。鑙gｈ。。。。。。。。簦澹恚穑澹颍幔簦酰颍濉。。。。。。。。颍铮幔螅鬷ｎg

2.2基于3DP的钛合金砂型铸造

3DP打印黏结成形、喷墨沉积，，，，，也被称为粘合喷射（ＢinDerJetting）、喷墨粉末打。。。。。。。。╥nKJetPoｗDerPrint－ing）。。。。。。。。该工艺属于“液体喷印成形”。。。。。。。。20世纪90年月末，，，，，eDereri等[48]发明了喷墨砂型3D打印手艺。。。。。。。。该手艺主要用来研发高端铸造产品和重大单件的小批量制造。。。。。。。。喷墨砂型3D打。。。。。。。。3DP）是一种砂型/芯数字化无模制造新手艺，，，，，相比于激光选区烧结工艺，，，，，该手艺效率高、透气性好、本钱低，，，，，可以和古板树脂砂铸造工艺完全兼容。。。。。。。。另外，，，，，相比于古板铸造模式，，，，，喷墨砂型3D打印手艺简化了铸造工艺流程，，，，，缩短了产品生产周期。。。。。。。。同时，，，，，制备的砂型具有强度高、结构重大、存放时间长、溃散性能优良等特点，，，，，从而降低生产本钱。。。。。。。。喷墨砂型3D打印的事情原理见图12。。。。。。。。系统先在事情台上铺一层粉（预混好固化剂的砂粒）；；；；；；；；喷墨打印头凭证caD数据天生的截面形状在粉床上喷出黏结剂，，，，，打印出一个截面；；；；；；；；事情台面一个层厚（砂型层厚）为0.2～0.4mm；；；；；；；；然后系统一直重复上述办法，，，，，直到完成所有截面的打。。。。。。。；；；；；；；；最后固化的砂型从事情缸中取出，，，，，去除未固化的多余粉末，，，，，获得最终所需的砂型[49-50]。。。。。。。。 

图 1２　 喷墨砂型 ３Ｄ 打印的事情原理示意图 ［４９]

Fig． 1２。。。。。。。。樱悖瑁澹恚幔鬷ｃ。。。。。。。。鋓ａgｒａｍ。。。。。。。。颋。。。。。。。。鳎铮颍雐ｎg。。。。。。。。穑騣ｎｃiｐｌｅ。。。。。。。。颋　iｎｋｊｅｔ。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。常模穑騣ｎｔiｎg

[４９ ]

现在，，，，，海内外3DP工艺普遍应用于生产铝合金、铸钢、铸铁件。。。。。。。。SHanggH等[51]、KangJ等[52]提出了一种壳桁架砂模铸型，，，，，并通过黏结剂喷墨3D打印手艺制备。。。。。。。。该壳桁架砂模将砂壳与支持、加固砂桁架结构相团结，，，，，可以在模具的特定位置调解冷却条件，，，，，实现铸件的快速匀称冷却，，，，，提高生产效率，，，，，镌汰铸件的变形和剩余应力。。。。。。。。别的，，，，，壳桁架砂模所需的砂量相比于古板砂型铸型镌汰，，，，，最终浇注获得及格的a356铝合金铸件。。。。。。。。

杨永泉等[53]通过喷墨3D打印工艺，，，，，乐成试制出四缸发念头铸铁缸体铸件，，，，，且铸件质量知足要求，，，，，砂型溃散性能优良。。。。。。。。

可是该工艺在钛合金铸造领域尚有一定的手艺难题，，，，，主要是喷墨3D打印工艺大多接纳有机黏结剂，，，，，浇注高温钛液的历程中会爆发很大的发宇量，，，，，因此无法直接举行浇注，，，，，并且喷墨3D打印的砂型/芯高温性能较差，，，，，无法包管在对砂型涂覆耐火涂层并举行高温焙烧后还能有一定的强度。。。。。。。。别的，，，，，熔融状态下的钛合金非；；；；；；；Ｉ，，，，，钛合金液会和除惰性气体外的其他气体爆发强烈反应，，，，，甚至爆发爆炸，，，，，同时会和铸型外貌爆发差别水平的反应，，，，，形成界面污染层，，，，，极大影响钛合金铸件的外貌质量和性能，，，，，这些因素极大地限制了基于喷墨3D打印钛合金铸造工艺生长。。。。。。。。为相识决发宇量问题和提高砂型高温强度，，，，，研究者对无机黏结剂的喷墨砂型3D打印工艺睁开了多项研究。。。。。。。。RaMaKriSHnanr等[54]研究了一种基于无机硅酸钠黏结剂系统的喷墨砂型3D打印工艺，，，，，通过对其黏结机理的探讨发明，，，，，砂粒之间的硅酸钠黏合剂首先经由起源水解，，，，，水解后的黏结剂可以润湿周围的砂粒，，，，，形成黏结桥，，，，，也可以通过物理脱水硬化。。。。。。。。

水解和硬化历程的特征显著地影响了打印制件的性能，，，，，也可以通过改变喷墨砂型3D打印工艺参数来调解这些特征。。。。。。。。MeetＵ等[55]、MitraS等［56]在对喷墨砂型3D打印手艺研究中发明，，，，，降低烧结层的厚度和增添黏结剂含量能够提高砂型的抗拉强度，，，，，但同时降低了外貌质量，，，，，层厚效应显着。。。。。。。。另外，，，，，固化处置惩罚工艺也影响砂

型的性能，，，，，通过对3DP砂型举行100℃×2H后固化处置惩罚，，，，，能够有用阻止树脂交联衰退、发宇量过大以及砂型断裂，，，，，从而提高砂型的强度；；；；；；；；液相蒸发和黏结剂缩短显著影响透气性，，，，，通过质量损失测试可以评估液相蒸发速率，，，，，进而剖析固结历程中砂型透气性和强度转变机制。。。。。。。。

邢金龙等[57]研究了一种喷墨砂型3D打印芯用双组分热硬化无机粉末黏结剂质料。。。。。。。。效果批注，，，，，用该质料打印生产的砂型发宇量较低，，，，，强度知足要求，，，，，打印生产时挥发性有机物排放量低，，，，，对打印头的损伤较小。。。。。。。。虽然喷墨砂型3D打印手艺在古板金属液浇注历程中的发宇量问题和提高砂型高温强度方面获得了有用解决，，，，，但要乐成将该手艺应用于钛合金铸造还需思量选择合适的耐火质料以及与砂型团结性好且耐高温的惰性涂层，，，，，以镌汰钛合金液与铸型间的界面反应。。。。。。。。

现在海内外将3DP工艺乐成应用于钛合金铸造的报道和工程现实应用较少，，，，，RaviS等[58]选用硅砂为耐火质料，，，，，配合呋喃树脂黏结剂，，，，，通过3DP手艺制备了硅砂模具，，，，，并涂覆新开发的涂层，，，，，浇注钛合金获得了质量及格的钛铸件。。。。。。。。效果批注，，，，，使用快速成形手艺制备硅砂模具并涂覆有用的耐火涂层，，，，，如水基氧化铝涂层，，，，，可以很洪流平上降低熔融钛与铸型间的界面反应，，，，，从而镌汰钛铸件的外貌缺陷。。。。。。。。这批注将3DP打印手艺与钛合金铸造团结的新型快速铸造手艺有降低制备钛铸件本钱的潜力，，，，，并增添其在其他应用领域中的使用可能性。。。。。。。。图13为涂覆氧化铝涂层的3DP硅砂模具和浇注的楔形钛铸件示意图。。。。。。。。

图1３涂覆氧化铝涂层的３ＤＰ硅砂模具和浇注的楔形钛铸件示意图 ［５８]

Fig． 1３。。。。。。。。樱悖瑁澹恚幔鬷ｃ。。。。。。。。鋓ａgｒａｍ。。。。。。。。颋。。。。。。。。常模小。。。。。。。。骾ｌiｃａ。。。。。。。。螅幔睿洹。。。。。。。。恚铮欤洹。。。。。。。。悖铮幔簦澹洌鱥ｔｈ。。。。。。。。粒 ２ Ｏ ３ ａｎｄ。。。。。。。。鳎澹鋑ｅ。。。。。。。。鬷ｔａｎiｕｍ。。。。。。。。悖幔螅鬷ｎg[５８ ]

金天拾等［59]提出了一种喷墨黏结三维打印砂型钛合金铸造工艺，，，，，接纳新型的工艺思绪，，，，，首先对3DP制备的砂型举行真空浸渗形成团结层，，，，，经由干燥处置惩罚后，，，，，再对型腔团结层涂覆惰性子料涂料，，，，，形成过渡层和面层，，，，，经由高温焙烧后在将烧结的砂型置于真空浇注机中举行钛合金浇注。。。。。。。。该要领不但能够无；；；；；；；；б庵仄蟮纳靶，，，，，还可用于钛合金快速铸造，，，，，且钛合金铸造历程清静、稳固、无隐患，，，，，生产效率高、本钱低。。。。。。。。但该要领对涂料性能要求较高，，，，，工程现实应用也较少。。。。。。。。

作为一种新型砂型/芯数字化无模制造新手艺，，，，，喷墨砂型3D打印工艺生产的砂型、砂芯透气性好、砂型强度高、溃散性能好、铸件质量优良，，，，，但仍然保存3D打印的质料及无机黏结剂的种类有限等问题，，，，，因此尚未普遍应用于钛合金铸造领域中。。。。。。。。若能将硅溶胶、水玻璃等高温无机黏结剂直接应用于喷墨砂型3D打印，，，，，并解决打印装备对无机黏结剂的适用性问题，，，，，则该手艺能在钛合金铸造领域获得更大的突破，，，，，具有辽阔的应用远景。。。。。。。。综上，，，，，接纳SLS和3DP成形砂型/芯手艺来生长钛合金的砂型铸造，，，，，在砂型/芯的结构设计自由度、重大结构制造和整体砂型砂芯等方面，，，，，具有显著的优势。。。。。。。。但现在3D打印在钛合金砂型铸造中还面临着一些手艺问题，，，，，需要进一步研究。。。。。。。。

3、展望

随着航空航天、国防军工等领域对钛合金铸件的尺寸和性能要求越来越高，，，，，钛合金砂型铸造会成为继钛合金熔模细密铸造后又一种主流钛合金铸造工艺，，，，，尤其是在团结3D打印手艺后。。。。。。。；；；；；；；；3D打印手艺的新型钛合金快速砂型铸造工艺可以实现快速、重大及大型细密铸件的铸造，，，，，在一定水平上填补钛合金熔模细密铸造的缺乏，，，，，极大地推动了钛合金铸造工艺的生长。。。。。。。。但钛合金铸造用砂型砂芯的要害制备手艺尚有待深入研究。。。。。。。。

（1）从微观角度对型砂质料举行设计，，，，，进一步探索其他合适的耐火质料，，，，，降低原质料本钱；；；；；；；；通过添加新的加工助剂和烧结助剂，，，，，调理其加入含量和种类搭配，，，，，实现对砂型/芯的性能有用调控。。。。。。。。

（2）多学科相助开发适合于3D打印砂型/芯的无机黏结剂，，，，，进一步提高砂芯的室温顺高温强度。。。。。。。。

（3）针对现在钛合金用砂型/芯保存的裂纹、开裂、变形等问题，，，，，可从砂芯后处置惩罚-埋砂高温焙烧的特点出发，，，，，通过在型砂质料中引入低熔点有机树脂或其他烧结助剂，，，，，使用高温焙烧时有机树脂烧蚀形成的孔隙，，，，，来改善砂型的透气性和退让性，，，，，进而镌汰甚至阻止砂型/芯的开裂、变形，，，，，从而获得高尺寸精度、优异外貌品质的砂芯。。。。。。。。

（4）重点研究钛合金砂型/芯在低温、高温焙烧历程中耐火质料和黏结剂的显微组织和物相演变纪律，，，，，解决耐火质料-有机树脂向耐火质料-无机黏结剂转变历程中保存的界面黏结强度和砂型变形等控制难题。。。。。。。。

（5）开发适用于大中型砂型/芯的无机黏结剂浸渗工艺与装备，，，，，及研制适合于3D打印砂型/芯的惰性耐火涂层，，，，，进一步改善镌汰砂型/芯与钛合金之间的界面反应层。。。。。。。。

（6）针对现在钛合金砂型铸造需高温焙烧工序，，，，，开发无需高温焙烧的钛合金砂型铸造手艺。。。。。。。。

4、结语

现在，，，，，接纳古板钛合金砂型铸造要领保存铸型的制作工序仍较繁琐，，，，，以及耐火质料和可选的黏结剂种类未几等问题，，，，，同时，，，，，其制备的钛合金铸件外貌粗糙度和尺寸精度与熔模细密铸造相比仍有提升的空间，，，，，在一定水平上限制了钛合金铸件的推广和普遍应用。。。。。。。。接纳3D打印手艺直接成形制备钛合金铸造用砂型/芯，，，，，具有制备周期短、无邪性高、稳固性好、可一体化制备重大异形砂型/芯等优点，，，，，能有用增进大型重大铸件的快速试制和提升制造水平，，，，，在解决航空航天及汽车等领域一些要害铸件的生产上展现出重大潜力。。。。。。。。因此，，，，，进一步开展适合于钛合金砂型/芯的3D打印是以后钛合金铸造生长的偏向和研究重点。。。。。。。。将3D打印手艺和古板铸造要领合理团结的优势在于：二者互补性好，，，，，可以缩短研发周期，，，，，实现快速重大件的试制，，，，，以及单件、小批量生产，，，，，从而提高生产效率，，，，，降低生产本钱。。。。。。。。二者团结甚至可以局部替换部分熔模细密铸造或其他高细密铸造手艺，，，，，成为新产品试制、小批量生产的一种主要钛合金成形要领。。。。。。。。

尤其是关于一些结构重大的钛合金铸件，，，，，3D打印手艺将会给钛合金铸造行业的生长带来重大的推动力。。。。。。。。

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