一、造型材料和造型工藝

（一）造型材料

一般來講，鑄鈦的造型材料應(yīng)具有下列特性與要求

① 高的化學(xué)惰性。

② 高的耐火度和抗熱沖擊性能。

③無反應(yīng)夠高的強(qiáng)度。

④ 材料均勻細(xì)致。

⑤ 對水分、氣體吸附能力小

⑥ 導(dǎo)熱能力低。

⑦ 價格低廉。

⑧ 無毒。

特別值得提出的是較高的耐火度，但綜合來講目前尚未找到完全理想的材料。

（二）造型工藝

目前，鈦及鈦合金鑄件的生產(chǎn)工藝有硬模鑄造、石墨搗實型、熔模型和消失模型等

1.硬模鑄造

硬模鑄造包括石墨加工型鑄造和金屬型鑄造:

（1）石墨加工型

石墨加工型強(qiáng)度高、表面光潔、尺寸精確，對熔融鈦合金具有較高的穩(wěn)定性，可以澆注出表面良好和精度較高的鈦合金鑄件。石墨加工型的使用壽命取決于鑄件的復(fù)雜程度和鑄型設(shè)計的合理性，一般可使用3~10次，有些組合式石墨加工型壽命可達(dá) 30~40次。石墨加

工型不僅適用于靜止?jié)沧?，也適用于離心澆注。

石墨導(dǎo)熱快，對鈦合金熔液具有良好的潤濕性能，因此所澆鑄件容易產(chǎn)生流痕和冷隔缺陷。由于鈦合金鑄件有較厚的滲氧、滲碳α脆性層（約0.3mm），在熱應(yīng)力作用下，常常引發(fā)裂紋。薄壁鑄件更傾向于產(chǎn)生表面裂紋。因此，只有厚壁（厚度大于10mm）的鈦合金鑄件才適合采用石墨加工型工藝。

為了避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷，石墨加工型澆注前必須進(jìn)行真空處理，以去除石墨表面吸附的氣體。

（2）金屬型

金屬型通常用鑄鐵和鑄鋼制造金屬型，并在金屬型的內(nèi)腔用等離子束噴涂一層涂層，延長使用壽命。

金屬型鑄造工藝簡單，鑄件尺寸比較精確，對某些小型鑄件生產(chǎn)成本低廉。其缺點是鑄件表面常出現(xiàn)冷隔、流痕，鑄件熱節(jié)部位容易產(chǎn)生熔焊區(qū)，鑄件表面存在α脆性層。

2.石墨搗實型

石墨搗實型是廣泛使用的造型方法，它與普通砂型鑄造的工藝方法相同，只是采用高純?nèi)嗽焓圩鲂蜕?。在化學(xué)工業(yè)中使用的大部分鑄件，尤其是大鑄件，都是用石墨搗實型澆注出來的。

3.熔模精密鑄造

熔模精密鑄造也稱失蠟鑄造，是指在模型（通常由蠟料或塑料制成）表面涂上數(shù)層耐火材料，經(jīng)過硬化干燥后，將其中的熔模熔去而制成整體型殼，再經(jīng)高溫焙燒，最后進(jìn)行澆注而得到鑄件的一種鑄造方法。同其他鑄造方法和零件成形方法相比較，熔模精密鑄造有以下基本特點：鑄件尺寸精確、表面光潔；可鑄造形狀復(fù)雜的鑄件；可以提高金屬材料的利用率；生產(chǎn)靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)。

按面層使用的耐火填料和撒砂以及黏結(jié)劑不同，鈦和鈦合金熔模精密鑄造的鑄型系統(tǒng)有：熔模石墨型殼、鎢面層陶瓷型殼、氧化物陶瓷型殼等。其中工藝最成熟并且被廣泛使用的鑄型系統(tǒng)是氧化物陶瓷型殼。

鈦及鈦合金熔模精密鑄造工藝的流程主要為：按圖紙設(shè)計模具，用模具做出蠟?zāi)＃褑蝹€蠟?zāi)＝M焊在澆道蠟?zāi)Ｉ闲纬上災(zāi)洌ńM），對蠟?zāi)＝M清洗，在蠟?zāi)＝M上涂掛耐火漿料，撒耐火砂，干燥硬化。反復(fù)掛漿撒砂數(shù)次，達(dá)到一定的厚度和強(qiáng)度，再到脫蠟爐內(nèi)熔化掉蠟?zāi)Ｐ纬尚蜌?，再高溫焙燒型殼，?jīng)過焙燒處理的型殼用來澆注鑄件，澆注完后打破型殼，完成鑄件毛坯的鑄造程序。

（1）石墨熔模鑄造工藝

石墨熔模鑄造工藝，采用低溫或中溫模料制作熔模，用石墨粉做耐火材料，與碳質(zhì)黏結(jié)劑一起配制涂料，制殼后澆注鑄件。石墨型殼工藝簡單、成本低廉，對熔融鑄件具有一定的穩(wěn)定性，適合于澆注各種優(yōu)質(zhì)的中小型鈦合金精密鑄件。

制殼涂料由石墨粉、黏結(jié)劑、表面活性劑和溶劑配制而成，常用的黏結(jié)劑有合成樹脂和膠體石墨。石墨粉填料粒度一般小于 200目，最好為 300目，石墨粉使用前必須進(jìn)行烘烤（150~180℃）以除去所吸附的水氣。

石墨熔模鑄造的模組一般都不太大，通常采用手工涂料。用于撒砂的石墨砂應(yīng)經(jīng)過烘烤除潮處理。面層撒砂較細(xì)，可保證型殼表面質(zhì)量，背層較粗，以提高型殼透氣性與強(qiáng)度。石墨模組一般涂掛7~9層，型殼厚度可達(dá)到9~12mm。需要采用離心澆注的鑄型，最好涂掛10~12層。組模涂料撒砂工序全部結(jié)束后，最后需要熱風(fēng)干爆24~32，使型殼充分固化。

采用低溫模料的組模，可在溫水中脫蠟。對于中溫模料，則需電熱或蒸汽脫蠟。

由于石墨在高于 400℃時就開始氧化，因此，石墨型殼需要在還原性氣氛下焙燒，或采用石墨粉保護(hù)焙燒。

（2）鎢面層熔模鑄型工藝

鎢面層熔模鑄造是一種陶瓷型殼鑄造工藝，主要用于生產(chǎn)各種大型復(fù)雜的鑄件。該工藝

重要特點是在陶瓷型殼上，制備一個對熔融鈦穩(wěn)定的高熔點金屬面層。

鎢面層工藝用的熔模一般都在大型液壓壓蠟機(jī)上制備，這是因為使用這種專用模料，需要具有較大注射壓力與較精確的蠟溫控制，才能制備出合格的熔模。

在壓型設(shè)計制造合理、模料質(zhì)量合格的情況下，決定熔模質(zhì)量的主要參數(shù)為：壓型溫度、壓蠟溫度、注射壓力、合型壓力、注射速度、保壓時間等，這些參數(shù)應(yīng)根據(jù)熔模體積、壁厚和復(fù)雜程度，經(jīng)計算和試驗來確定。

熔模常見的缺陷有：縮陷、表面流痕、皮下氣泡、表面沾污、填充不足、輪廓不清晰、尺寸不合格、形狀不合格。熔模除了明顯不合格需要立即報廢外，一般的缺陷可以進(jìn)行修補。鎢面層熔模鑄造工藝，對熔模質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，因此熔模組裝前的檢驗是非常重要的。

按照壓鑄系統(tǒng)設(shè)計與工藝要求，熔?？蓡渭蚨嗉c澆冒口組焊成模組。一般可采用電熱焊刀手工焊接，為了提高焊接強(qiáng)度，可應(yīng)用專用的焊接蠟。組合好的模組必須表面清潔，不允許有灰塵、碳粒沾污；焊縫平整，不允許有氣孔、冷接；模組緊湊牢固，能經(jīng)受住手工涂料或機(jī)械涂料的工作。

鎢面層型殼工藝的關(guān)鍵部分是面層涂料的配制，涂料主要由黏結(jié)劑二醋酸鋯、填料鎢粉及鎢、鉬的化合物的阻化劑組成。

鈦合金鑄造用型殼一般只涂掛兩層鎢面層（度約為0.5~0.7mm），組模面層充分干燥后，可涂掛普通的背層陶瓷材料。背層一般由廉價的高嶺土耐火材料與硅酸乙酯或硅溶膠黏結(jié)劑組成。背層通常涂掛9~10層，型殼厚度可達(dá)到12~15mm。由于面層涂料是水溶性的，涂掛好的組模經(jīng)一晝夜的干燥固化后，可采用三氯乙烯落氣脫蠟。脫蠟后的型殼經(jīng)低混預(yù)焙燒后，在還原氣氛中進(jìn)行高溫焙燒。

（2）氧化物陶瓷熔模鑄型工藝

目前，氧化物陶瓷熔模鑄型工藝采用的面層耐火材料主要為氧化釔（Y₂O₃）和氧化鋯，黏結(jié)劑為釔溶膠或硅溶膠。其中氧化鋯主要用于民品鑄件生產(chǎn)，氧化釔主要用于航空鑄件的生產(chǎn)。

氧化物熔模鑄造工藝使用中溫模料，模料中允許碳質(zhì)灰分，因此灰分允許量可稍高于鎢面層工藝指標(biāo)。此外，模料中可以添加高分子的填料，以降低其收縮率。因此澆注件能獲得較高的精度。

模組的面層涂掛是影響鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵工序，應(yīng)當(dāng)注意的是：面層黏結(jié)劑為水溶性的其酸堿度對面層涂料存在較大的影響。面層干燥時間也應(yīng)嚴(yán)格控制。

氧化物陶瓷型殼的脫蠟可以用高壓釜蒸氣脫蠟，也可以用電熱脫蠟。脫蠟后的型殼，可在電爐內(nèi)進(jìn)行大氣焙燒。

氧化物陶瓷型殼的澆注可根據(jù)需要選擇重力澆注或離心澆注。澆注前如果預(yù)熱溫度超過850℃，在澆注過程中液態(tài)鈦將與型殼發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生α污染層，污染層可以用酸洗的方法去除。

4.消失模（EPS泡沫型）鑄造工藝

鈦及鈦合金消失模型殼鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型黏結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘于后，高溫焙燒除去泡沫模型，然后將殼型埋在干砂中振動緊實，在真空下澆注，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。與熔模鑄造相比，EPS消失模型殼鑄造技術(shù)解決了熔模鑄造制作金屬模具周期長、成本高和蠟?zāi)囟让舾幸鬃冃蔚膯栴}，可生產(chǎn)蠟?zāi)２荒苌a(chǎn)的大型結(jié)構(gòu)件。

消失模模型的制造方法很多，主要根據(jù)鑄件的形狀（結(jié)構(gòu)）和生產(chǎn)批量來決定。通常分為機(jī)加工成形和發(fā)泡成形兩大類。機(jī)加工成形EPS消失模型殼鑄造技術(shù)對于單件或小批量的結(jié)構(gòu)件，尤其是一些葉輪等曲面結(jié)構(gòu)的鑄件具有成本低、鑄造精度高、尺寸一致性好等優(yōu)點，完全能滿足日益增長的大型、精密、整體鑄造的要求。

消失模所涂漿料與其他熔模鑄造的漿料有著基本相同的要求:主要使用有足夠惰性的耐火材料，防止高溫鈦液與型殼發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。型殼達(dá)到一定強(qiáng)度后既可以焙燒去除殼型中的EPS模型。燒好的型殼冷卻后裝人砂箱，并且通過振動使砂箱中的砂子更加緊密。隨后把裝好的砂箱推人真空電弧凝殼爐內(nèi)進(jìn)行澆注。由于耐火材料的保溫效果比較好，澆注好的鑄件需要很長的冷卻時間。冷卻好的鑄件從砂箱中取出進(jìn)行清砂。

二、鑄造用鈦金屬液的熔煉方法

1.自耗電極真空凝殼爐熔煉

澆注鈦合金件時常采用自耗電極真空凝殼爐進(jìn)行熔煉，由于熔煉時在水冷銅坩堝內(nèi)形成了鈦凝固層，所以稱為真空凝殼熔煉。凝殼的存在使鈦液不直接與水冷銅坩堝接觸，可完全避免來自坩堝的污染。

真空自耗電極凝殼電弧熔煉雖然存在對原料的形狀有要求、廢料難以回收和受熔煉速度制約難以克服的缺點，但具有結(jié)構(gòu)簡單、維持費用低、易大型化等優(yōu)點，因此，在鈦鑄造業(yè)中是使用最廣泛的熔煉方法。

2.感應(yīng)加熱熔煉

感應(yīng)加熱熔煉是利用交變電磁場力使金屬熔融懸浮，且不與堝接觸的一種熔煉方法。該方法可把廢料或海綿鈦直接作為熔煉原料，原料成本低，攪拌能力強(qiáng)，合金化容易，成分、溫度均勻，但是設(shè)備費用高，生產(chǎn)效率低。