一、概述

鈦及鈦合金的鑄造可以直接制造形狀復雜的零件，免去大量的機械加工工序，提高材料的利用率。一般鑄件利用率為45%，精密鑄件則可達75%~90%，這對價格較貴的鈦及鈦合金來說尤為重要。

我國鈦鑄造開始于1964年。寶鈦集團于1965年從日本引進了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)和船用螺旋槳推進器等。目前，寶鈦集團鑄造產(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)量達到了國際水平，產(chǎn)品可滿足國內(nèi)、國際市場的要求。沈陽冶金研究所20世紀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)是我國最早開展鈦合金熔模精鑄的單位，早在1964年就自行設計、建造了5kg真空自耗電極凝殼爐，并對鈦合金的精密鑄造進行了大量的研究，試制成功了發(fā)動機用的空心葉片、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、粗糙度達到或接近國際水平，向體育用品市場提供了大量的高爾夫球頭精鑄件。沈陽鑄造研究所自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。沈陽鑄造所還研究了造價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型低 50%~60%。

鈦合金化學活性高，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，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。鈦合金在鑄造過程中，其熔化和澆注都必須在惰性氣體保護下或真空中進行。常用的設備有真空自耗電弧凝殼爐等，并且應使用強制冷卻的銅坩堝，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，設計鈦鑄件時必須充分考慮這些性能。

1.流動性

流動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復雜的流體動力學和物理化學過程。評定流動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、潤濕性能、表面粗糙度、孔隙度和化學反應特性。

③ 熔煉和澆注條件 包括金屬過熱度、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制鑄型輪廓，特別是復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制，在很大程度上取決于毛細管效應，因此，液體金屬的表面張力和對鑄型潤濕性能，是決定填充性的兩個重要因素。

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

對液鈦表面張力的研究表明，合金元素對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。一般說來，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。

用真空垂滴法測量Ti-5A1合金的潤濕角的結(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，石墨與鈦的潤濕性能是最好的，尤其當石墨型預熱至800℃時，熔融鈦在它上面形成很薄的一層，甚至潤濕角都很難測量出來。在以上耐火材料中，氧化鋯的潤濕性最差。

通過對試驗結(jié)果的分析，可以認為，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。除表面張力與潤濕性外，熔融金屬的黏度對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，也均對填充性存在影響。反應產(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)在金屬從液態(tài)冷卻至低溫時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、凝固時的收縮和固態(tài)下的收縮三個階段。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)晶間隔小和流動性高的共晶合金，形成集中縮孔；而結(jié)晶間隔大和流動性低的合金，多半形成分散的縮松。工業(yè)純鈦的集中縮孔為1%左右。合金元素對集中縮孔體積具有較大的影響。當合金的合金元素含量＜10%時，集中縮孔在0.5%~1.5%范圍內(nèi)變動。

由于鈦合金鑄件過熱度低，靜止?jié)沧r壓頭小，相對來說它的補縮距離比較短，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。提高鈦合金補縮距離的最有效方法是斜度補貼法。

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之一，鈦屬活潑金屬，對氣體的親和力很大，在熔煉澆注過程中，熔融鈦吸收氣體的來源很多，歸納起來有：①爐料中含有的吸附氣體；②真空度不高時爐內(nèi)的殘余氣體和漏氣時進入爐內(nèi)的氣體；③吸附在爐膛表面與爐內(nèi)夾具上、熔煉澆注時受輻射熱或金屬飛濺加熱釋放出來的氣體；④熔融鈦注入鑄型時，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生成的氣態(tài)產(chǎn)物。

鈦合金氣孔可分為外來氣孔與析出氣孔。外來氣孔是在澆注時鑄型放氣或液態(tài)與鑄型材料反應生成氣體產(chǎn)物而造成。析出氣孔是由熔融鈦冷卻凝固時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，過高的溫度使得液鈦與鑄型反應加劇，使鑄件氣體缺陷變得更為嚴重。

鈦合金熔煉澆注爐內(nèi)殘余壓力對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。當然，在較高壓力下澆注與凝固，可抑制氣泡生核與長大。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，促進了氣泡的長大。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力，會導致裂紋產(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是具有較高的抗熱裂的特性，甚至采用無退讓性的石墨型芯時，也能獲得無熱裂的鈦鑄件。

表面裂紋是鈦鑄件最常見的缺陷，按其形態(tài)及形成條件，表面裂紋應屬于冷裂紋。采用加工石墨型澆注鈦鑄件時，特別容易產(chǎn)生表面裂紋。為了消除表面裂紋，最好采用導熱性低、熱容小的鑄型，如搗實型與陶瓷熔模型。提高鑄型預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)生與擴展的危險，鈦鑄件出廠前，必須進行吹砂、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制鑄型表面輪廓的能力（粗糙度、機械黏砂），形成宏觀平面度（冷隔、流痕）的傾向，以及與鑄型起化學反應的傾向（鑄疤、“α”脆性層、化學黏砂）。

鑄造表面質(zhì)量通過表面粗糙度（顯微平面度）和宏觀平面度來衡量。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。