發(fā)布日期：2018-10-6 15:29:18
鈦及鈦合金具有密度低，比強(qiáng)度高，耐腐蝕，線脹系數(shù)小，生物相溶性好等優(yōu)異性能，在航空、航天、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、化工、冶金、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)中都是不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)上最初應(yīng)用的鈦及鈦合金制件都是變形件，隨著其用量的增多和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，變形反映出機(jī)械加工量大，材料利用率低，生產(chǎn)成本高等弊端，于是鑄造技術(shù)由此發(fā)展起來(lái)。鈦鑄造是比較經(jīng)濟(jì)且又容易實(shí)現(xiàn)的近成形工藝。鈦及鈦合金在熔融狀態(tài)下具有高化學(xué)活性，要與常用的各種耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，熔煉和鑄造成形難度很大，必須有其專(zhuān)用的造型材料和造型工藝以及專(zhuān)用的熔煉與鑄造設(shè)備。
我國(guó)的鈦鑄造90% 以上熔煉與鑄造設(shè)備都采用真空自耗電極電弧凝殼爐加離心鑄造。坩堝采用水冷銅坩堝，鈦液的最大澆注量為500 kg。
自耗電極電弧熔煉法是以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽(yáng)極；大電流熔煉，鈦電極的熔化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦的凝結(jié)速度，熔化了的電極以液滴形式進(jìn)入坩堝，形成熔池；熔池表面被電弧加熱，始終呈液態(tài)，底部和坩堝接觸的四周受到循環(huán)水強(qiáng)制冷卻，產(chǎn)生自下而上的結(jié)晶。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維持費(fèi)用低、大型化容易等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是澆注溫度難以調(diào)節(jié)和控制，一停弧后，金屬液必須在3~5秒內(nèi)全部從坩堝倒出，否則溫度急劇下降，金屬液過(guò)熱度不高，使得液體流動(dòng)性和補(bǔ)縮能力較差。自耗電極電弧熔煉對(duì)電極的質(zhì)量要求很高，要求電極內(nèi)部組織致密。熔煉過(guò)程中危險(xiǎn)性較大，稍微操作不慎將會(huì)出現(xiàn)電弧損壞坩堝，造成坩堝外壁強(qiáng)制冷卻的循環(huán)水進(jìn)入坩堝，污染鈦液，水蒸氣損壞真空泵系統(tǒng)。
鈦合金鑄造的造型工藝主要有金屬型、機(jī)加工石墨型、金屬面層陶瓷型殼、氧化物陶瓷型殼。
金屬型在鈦合金鑄造領(lǐng)域中，用作鑄型的金屬材料主要有銅、鋼、鑄鐵、鎢、鉬等，與石墨加工型一起統(tǒng)稱(chēng)為硬模系統(tǒng)。由于存在著工藝上的分型等難點(diǎn)，這種方法很難制造出復(fù)雜形狀的鈦鑄件，而大多只在特定的鑄件上使用。
機(jī)加工石墨型強(qiáng)度高，退讓性不好，對(duì)液態(tài)鈦要產(chǎn)生激冷，常使鑄件表面產(chǎn)生裂紋和冷隔，生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。石墨孔隙較大，容易吸潮，所以機(jī)加工石墨型使用前必須進(jìn)行除油、除氣處理，否則鑄件表面氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。鑄件尺寸比較大，壁比較厚（≥5mm），形狀簡(jiǎn)單，所需數(shù)量只有一件或幾件。選擇機(jī)加工石墨型。
金屬面層陶瓷型殼采用難熔金屬鎢粉作為耐火材料，金屬鎢的熔點(diǎn)高，與鈦液接觸時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性好，但是鎢粉應(yīng)具有較高的純度，雜質(zhì)含量不能超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，否則將影響鈦鑄件的品質(zhì)。鎢面層熔模型殼必需采用溶劑脫蠟，而且在特制的脫蠟槽中進(jìn)行，對(duì)人體健康有很大的傷害，同時(shí)也污染環(huán)境。鎢面層型殼高溫焙燒必須在還原性氣氛下進(jìn)行，脫蠟后沉積在型殼外貌上的模料灰分很難燒化，在澆注時(shí)很容易與液鈦反應(yīng)，在鑄件外貌形成氣孔。涂料漿工藝性能不好，懸浮性差，涂料漿壽命短，保存困難，價(jià)格昂貴。
氧化物陶瓷型殼是將惰性氧化物做為面層型殼耐火材料。各種氧化物材料按其對(duì)熔融鈦合金的化學(xué)穩(wěn)定性由低到高排列的順序如下：SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2。ThO2由于具有放射性已基本不用。CaO容易吸潮，所以阻礙了它的應(yīng)用。現(xiàn)在，用作熔模鑄造型殼面層和鄰面層的材料主要是Y2O3、ZrO2。
未經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2不能做為鑄鈦的造型材料，因?yàn)樗鼤?huì)發(fā)生同素異形體轉(zhuǎn)變，常溫下為單斜晶體，高溫下為四方晶體，溫度更高則轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄w，單斜晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄w時(shí)，伴隨著9%左右的體積變化，使型殼發(fā)生開(kāi)裂。通常采取向ZrO2 中加入4%~8%的CaO，經(jīng)高溫電熔或煅燒后就可以得到穩(wěn)定的ZrO2 固溶體（也有用Y2O3穩(wěn)定），工業(yè)上大多采用電熔ZrO2。
Y2O3 同ZrO2 一樣，必須經(jīng)過(guò)高溫穩(wěn)定化處理后才能用作鈦合金造型材料。Y2O3 陶瓷型殼具有熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，澆注出的鑄件表面質(zhì)量好，但Y2O3 價(jià)格比較昂貴，來(lái)源困難。
我國(guó)的鑄鈦工業(yè)發(fā)展比較快，近幾年來(lái)新增加了一些鑄鈦生產(chǎn)廠。目前，全國(guó)的鑄鈦生產(chǎn)廠、研究所已經(jīng)將近20 個(gè)，新增的鈦鑄造廠也都將產(chǎn)品定位在鈦熔模精密鑄件上，陜西錦瀚稀貴金屬有限公司常年與哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行技術(shù)交流合作，致力于鈦、鎳、鋯及其合金的精密鑄件生產(chǎn)，形成以精密鑄造為主、機(jī)加工石墨型為輔的生產(chǎn)模式。
隨著鈦及鈦合金鑄造技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，加上熱等靜壓（HIP）技術(shù)的誕生和在鈦合金鑄件方面的成功應(yīng)用，較好的解決了鑄件的質(zhì)量問(wèn)題，提高了鑄件的可靠性。從20世紀(jì)80年代以后，鈦及鈦合金鑄件在航空、航天及其他方面的應(yīng)用每年以20%的速度遞增。鑄造工藝方面，目前已經(jīng)由單件鑄造發(fā)展到幾件或幾十件零件組合成的大型整體鑄件。應(yīng)用范圍已經(jīng)從早期的受力不大的非關(guān)鍵靜止結(jié)構(gòu)件發(fā)展到成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的構(gòu)件組成部分，完全取代了一些變形鈦合金、鋁合金、鋼件。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比和剛度要求的提高，要求其中的一些關(guān)鍵鈦合金構(gòu)件做成大型復(fù)雜薄壁的整件精鑄件。一些先進(jìn)的航空大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣、中介機(jī)匣、前機(jī)匣、壓縮機(jī)機(jī)匣等都開(kāi)始使用鈦合金精鑄件。大型客機(jī)的導(dǎo)風(fēng)管、隔熱屏、支架、框架、耳軸、支撐架、剎車(chē)殼體、等也都以鈦合金精鑄件替代原來(lái)的構(gòu)件。軍用飛機(jī)方面，鈦合金鑄件的使用也逐步在增加，如：支座、框架、支架、制動(dòng)勾、機(jī)翼上受力物件、方向舵轉(zhuǎn)動(dòng)裝置支架、變速裝置殼件、吊架支撐附件等，實(shí)踐證實(shí)了鈦合金鑄件在飛機(jī)上的應(yīng)用是成功、可靠的。不僅如此，在生產(chǎn)成本上，由于使用了鈦合金鑄件，使飛機(jī)的某些機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工、緊固、裝配等都變得比原來(lái)未使用鈦合金鑄件時(shí)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了，從而大大降低了飛機(jī)的制造成本。鈦合金鑄件在航天領(lǐng)域中主要用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)飛船、人造衛(wèi)星。其應(yīng)用部位主要為：導(dǎo)彈殼體、尾翼、舵翼及連接座等，航天飛機(jī)和飛船支架、框架、支座、附件、殼體等，由于鈦合金鑄件具有高的剛性、輕的重量和光學(xué)玻璃相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，也應(yīng)用于人造衛(wèi)星及其他光學(xué)儀器的托框、基座、連結(jié)架以及殼體等。
鈦及鈦合金鑄件在日常工業(yè)生產(chǎn)方面也有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能，是化工及其他耐腐蝕工業(yè)的不可替代的材料。廣泛應(yīng)用于化工、造紙、石油、制堿、冶金、農(nóng)藥等工業(yè)。主要應(yīng)用產(chǎn)品是以工業(yè)純鈦和鈦—鈀合金為材質(zhì)的鑄造鈦泵、鈦風(fēng)機(jī)，各種不同類(lèi)型的閥門(mén)，如：截止閥、球閥、旋塞閥、閘閥、蝶閥、止回閥等。
隨著人們生活水平的提高和對(duì)健康質(zhì)量要求的提升，鈦合金以其高的疲勞強(qiáng)度，和人體超強(qiáng)的親和力等諸多優(yōu)點(diǎn)，也被越來(lái)越多的用在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。如：鑄造鈦合金髖關(guān)節(jié)修復(fù)件、膝關(guān)節(jié)修復(fù)件、人體假肢、口腔修復(fù)等等。運(yùn)動(dòng)器械領(lǐng)域鈦合金精密鑄件的用量非常巨大，如：自行車(chē)配件，高爾夫球頭。尤其是鈦合金高爾夫球頭市場(chǎng)容量最為巨大，但鑄造工藝比較復(fù)雜。
目前，鈦及鈦合金鑄件的使用范圍還在擴(kuò)展，更多的應(yīng)用領(lǐng)域也在相繼研究，但還存在著一些問(wèn)題：1.合金品種少、牌號(hào)少，基本上常用的鈦合金都是工業(yè)純鈦鑄件和TC4合金鑄件。2.鑄件應(yīng)用范圍小，大部分鑄件都用在了石油化工行業(yè)（工業(yè)純鈦鑄件），航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用很少，致使我國(guó)鈦鑄造工業(yè)的工藝和技術(shù)水平難以提高。3.造型工藝普遍落后，大部分廠家都是用石墨型造型工藝（機(jī)加工石墨型和搗實(shí)石墨型），而熔模精密鑄造應(yīng)用很少。鑄造出的鑄件表面比較粗糙。4.熔煉設(shè)備基本上都為真空自耗電極電弧凝殼爐，熔煉過(guò)程危險(xiǎn)性較高，熔化金屬液過(guò)熱度不高，造成鑄件表面易產(chǎn)生流痕、冷隔等缺陷，薄壁零件成形困難。
為改善我國(guó)鈦鑄造工業(yè)生產(chǎn)的落后狀態(tài)，提高我國(guó)鑄鈦工業(yè)的整體工藝和技術(shù)水平，還需進(jìn)行以下幾方面的研究：
1、改進(jìn)現(xiàn)有的造型工藝，研究新的粘結(jié)劑和造型材料，簡(jiǎn)化工藝，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。
2、研究和發(fā)展新的熔煉和鑄造設(shè)備及其技術(shù)，提高金屬液的過(guò)熱度，改善和提高鑄造鈦液的流動(dòng)性和充型補(bǔ)縮能力，為研制大型復(fù)雜薄壁整體精鑄件創(chuàng)造有利條件。
3、進(jìn)一步擴(kuò)大計(jì)算機(jī)模擬凝固技術(shù)在鈦合金鑄造中的應(yīng)用，以提高鑄件質(zhì)量，減小鑄件的廢品率。
4、研究和發(fā)展鈦合金鑄件的各種熱處理工藝和熱化學(xué)處理技術(shù)，以改善鈦合金鑄件的微觀組織結(jié)構(gòu)，提高鑄件的力學(xué)性能。
5、熔模鑄造只能生產(chǎn)中小型鑄件，應(yīng)尋求一種生產(chǎn)更大型、更凈形、更高效鑄件的造型工藝，提高鈦合金鑄件的生產(chǎn)能力。