摘要：作為先進制造技術的重要組成部分，鈦合金熔模精密鑄造技術已經成為衡量一個國家鑄造技術水平的關鍵指標。文中就鈦合金熔模精密鑄造技術中所涉及的模料、模樣制備、脫蠟工藝、型殼用面層耐火材料及粘結劑等發展現狀進行了較為詳細的介紹，為我國鈦合金熔模精密鑄造技術的進一步發展提供有益參考。
鈦合金因其自身卓越的綜合性能，如低密度、高比強度、耐高溫和抗腐蝕等，業已成為現代工業中不可或缺的先進結構材料。尤其近幾十年來，伴隨著宇航業和國防工業的迅猛發展，鈦合金的使用量和應用水平都獲得了顯著提升。以民航客機為例，法國空客公司的A380的用鈦量已由第四代A340時的6%猛增到10%；美國波音公司的B787也由B777的8%提高到15%。相較于國外，盡管我國在鈦合金研發上的起步較晚，但卻顯示出強勁的發展勢頭。我國最新研制的C919大型飛機的用鈦量已達到了9.3%，這已經超過了B777飛機的用鈦量。然而，鈦合金因其本身高的化學活性，小的熱導率及較低的塑性，導致其在傳統的加工方式下較難成形，尤其對于某些具有薄壁特征的復雜構件而言，這無疑限制了鈦合金的進一步應用。為了打破這一困局，美國、德國和俄羅斯等世界幾個工業發達國家從20世紀50年代開始就致力于鈦合金鑄造工藝的研究和開發，其中以近凈成形工藝的熔模精密鑄造技術所取得的成績最為世人所矚目。
熔模精密鑄造也稱失蠟法鑄造，是一種采用可溶性一次模料制得型殼并澆注成件的方法。對比傳統鑄造工藝，熔模精密鑄造具有如下優勢：鑄件表面粗糙度低（Ra=1.6～3.2μm）；尺寸精確；原材料利用率高（70%～90%）；幾乎不受合金種類限制，并可鑄造各種結構復雜的鑄件等。尤其是20世紀70年代末，熱等靜壓（HIP）技術被廣泛應用于鑄件的后處理，使得某些鑄造缺陷得以被消除，從而有效改善了鑄件的力學性能及穩定性。得益于以上的這些優勢，鈦合金的熔模精密鑄造技術已經發展成為世界制造領域中不可取代的基礎工藝之一。據不完全統計，目前航空工業中使用的98%以上鑄造鈦合金構件都是采用熔模精密鑄造技術制備成形的。客觀講，鈦合金熔模精密鑄造技術在一定程度上是國家鑄造技術水平是否先進的重要體現。
給出了熔模精密鑄造技術的簡要工藝流程圖。如圖所示，首先在組裝好后的蠟模組的表面須涂覆一層由耐火粉和粘結劑組成的漿料，隨后撒一層耐火砂料并進行干燥處理。重復多次以上的操作，直至形成具有一定厚度的型殼，然后在高溫狀態下對型殼脫蠟和焙燒，以使型殼獲得一定強度和厚度。鑄造時，將熔融的金屬液澆注到型殼內，并在金屬冷卻后利用機械的方法將外部型殼去除。最后，對脫殼的鈦合金鑄件進行一定的清理打磨、檢驗以及必要的熱處理。不難發現，熔模精密鑄造的工藝流程較長且復雜，因而，迄今為止，世界上也僅只有較少的國家成熟地掌握熔模精密鑄造技術。另外一方面，由于鈦合金本身的化學活性較高，其在熔融狀態下幾乎可以與所有的造型材料發生反應，因而，相較于其他金屬的熔模鑄造，鈦合金的熔模精密鑄造工藝對技術的要求更為苛刻。鑒于以上特點，本文以模樣及型殼制備兩方面為切入點，介紹了鈦合金熔模精密鑄造技術的研究進展，以期望能夠為我國鈦合金鑄造技術的進一步提升提供有益參考。
1 模樣制備及脫模技術
1.1 模料的發展現狀
廣義上來講，模樣的制備是熔模精密鑄造的第一個環節，因而，模樣質量的優劣會直接關系到鑄件的品質。生產實踐表明，模樣的質量主要受蠟料性能以及成形工藝影響。首先，就其性能而言，鈦合金的熔模精密鑄造在選用模料時通常會考慮如下幾個方面：①合適的熔點、軟化點及良好的流動性；②良好的涂掛性；③含有較少的灰分；④具有較小的線收縮率和體收縮率；⑤良好的化學穩定性；⑥良好的力學性能及合適的韌性；⑦無毒性。此外，從成本上考慮，模料還應具備可回收性和復用性。綜合考慮以上特性，目前我國鈦合金熔模精密鑄造所選用的模料主要為蠟基模料和松香基模料。表1和表2分別列舉了一些我國常用的蠟基和松香基模料的配方及基本性能。總體而言，我國熔模精鑄用模料的品種和規格都較簡單，生產化和專業化程度也相對較低。可喜的是，隨著航空航天領域對大型薄壁復雜鈦合金精鑄件需求的日益增長，我國許多研究機構或個人已經開始著手于對先進模料的研究和開發，例如，喬海濱等探究了KC蠟在大型復雜鈦合金熔模精密鑄造中的應用，發現KC蠟的使用可顯著提高某型號鑄件的質量，這不僅降低了生產成本，而且也縮短了交貨周期。而廣西大學則自主研發了一種熔模精密鑄造用模料。該模料要由石油蠟、樹脂、有機高分子聚合物和木薯淀粉組成。經測試，該模料的抗彎強度為8～9 MPa，線收縮率為0.3%～0.4%，灰分小于0.02%。此外，李柏鴻則選取中石化生產的幾種石蠟和微晶蠟為主要原料，制備了分別具有高強度、高硬度、高熱穩定性、冷卻收縮均勻、表面光澤度好的低溫、中溫和高溫蠟，很好補充了我國精鑄行業在該領域的空白。
相較于國內熔模鑄造用模料的現狀，國外模料商品化歷史悠久，品種豐富且規格齊全，已形成專業化系列產品。以日本株式協會生產的K系列精鑄蠟為例，表3給出了該系列模料的分類及性能。此外，在先進模料的開發與應用上，國外最近也取得了許多令人矚目的成果。Muschio和Henry研發了一種含乙酸纖維素的熔模鑄造蠟，其最大優勢是燃燒時不產生致癌物質，且固化速度快，裂紋極少。Mcnulty等則以聚對苯二甲酸乙二醇酯作為填料，制備了熔模精密鑄造用蠟料。工程實踐表明，該蠟能夠有效控制熔模鑄造時蠟料的膨脹和收縮，且在脫模時幾乎不殘留灰分。
1.2 模樣制備的發展現狀
模樣制備主要有傳統的模具壓蠟和新興的激光快速成形兩種。模具壓蠟采用液體蠟，通過射蠟機和壓蠟模具壓制成形。該工藝較適用于無復雜結構鑄件的批量化和大型化生產，但其顯著缺點是事先須制備生產用模具，因此無形中增加了生產周期和研發成本。值得注意的是，當采用蠟料進行鈦合金精密鑄造時，模料在壓注過程中合理的壓注工藝參數選擇尤為重要。研究表明，壓注溫度、模具溫度、注射壓力和保溫時間、模料的流量和流速等都會影響蠟模的成形質量。例如，周李明等采用自制的網格狀射蠟模具系統性地揭示了射蠟溫度、射蠟時間、射蠟壓力對蠟模充型性能的影響，發現射蠟溫度、射蠟壓力以及射蠟時間等的變化都會直接影響蠟模的充型能力，其中射蠟溫度的影響最為顯著。闞精誠等的研究則表明，蠟模的體積收縮率、縮痕及變形量均會隨著注蠟溫度和速度的增加而明顯增加；隨著模具溫度的升高，蠟模的收縮和變形傾向增大；而延長保壓時間可以在一定程度上有利于降低蠟模部分缺陷的產生，如型腔內部收縮等。
相比于模具壓蠟，新興的激光快速成形則是一種采用數字化三維模型，利用激光成形機進行激光加熱分層燒結成形的快速制模技術。因此，對比模具壓蠟，該工藝具有材料利用率高、適用范圍廣、無需模具和支撐結構、可直接制造任意形狀復雜的結構件等優點；但受限于激光快速成形的分布式生產特點，其并不適用于鑄件的大批量、規模化生產，因此，激光快速成形尚不具備取代傳統模具壓蠟的條件。此外，激光快速成形技術通常選用的模料為高聚物，而鑄造制殼又通常選用鋯砂或石英砂，這導致在后續的脫蠟環節中極易因前者較大的熱膨脹系數而導致型殼開裂，甚至無法完成脫蠟。由此可見，開發更多的熔模材料種類，進一步優化激光快速成形工藝仍然是未來重點研究的問題。
1.3 脫蠟工藝的發展現狀
脫蠟（也稱脫模）是指從型殼中溶失熔模的過程。由于在此過程中，型殼極易因蠟模受熱膨脹而發生變形或開裂，因此選取合適的脫蠟工藝也成為鈦合金熔模精密鑄造工藝中關鍵工序之一。根據脫蠟原理的不同，目前國內外鈦精鑄工業領域實際應用的常規脫蠟工藝主要有溶劑脫蠟、熱水脫蠟、高壓蒸汽脫蠟、電磁波脫蠟和燃燒脫蠟等幾種。其中，溶劑脫蠟因其主要通過化學作用將蠟模溶解并靠重力使其流出型殼，因此，該工藝在抑制型殼變形和開裂方面具有顯著優勢，使其一度成為我國鈦合金熔模精密鑄造中主流的脫蠟工藝，如在2009年前沈陽鑄造研究所一直使用該工藝。然而，該工藝最大的缺點就是使用的有機溶劑（三氯乙烯）對人體和環境具有嚴重的毒害作用，迫使鈦精鑄企業不得不逐漸淘汰該工藝。
為了解決溶劑脫蠟的弊端，熱水脫蠟和高壓蒸汽脫蠟工藝應勢而生。該類工藝主要借助水溫或蒸汽溫度使蠟模從型殼中溶失，其優點是不僅有利于環境保護，而且操作簡單、蠟料回收效率高。由于這類工藝在應用過程中，鈦合金鑄造用型殼往往要接觸水或水蒸氣，因此，該類工藝并不適用于以水溶性物質（如二醋酸鋯）作為粘結劑，或一些具有遇水回溶性質的材料作為耐火骨料的型殼脫蠟。2001年，哈爾濱工業大學的李邦盛教授成功研制出遇水不回溶的LJ-8號新型粘結劑，這為解決國內外鈦合金熔模精鑄中熱水脫蠟難題提供了可行的解決方案。
電磁波脫蠟則是為解決溶劑脫蠟的毒性問題和熱水或蒸汽脫蠟型殼材料回溶問題而開發出來的新工藝，目前主要有紅外波加熱和微波加熱兩種。其中，紅外波加熱脫蠟是通過在線圈上通電加熱產生紅外波使蠟料受熱熔化流出，屬于典型的非接觸式物理脫蠟過程。而微波脫蠟則是利用特定波長的電磁波發射作用在受熱蠟模上，強制受熱蠟模的分子隨之發生強烈振動，從而使蠟模溶失。與前述脫蠟工藝比，該類脫蠟工藝不僅無毒無污染、安全，而且對型殼材料無特殊要求。目前，紅外波加熱法已成為國內鈦合金鑄造企業及科研單位普遍采用的脫蠟工藝，如沈陽鑄造研究所有限公司和北京航空材料研究院等。而與之相比，微波脫蠟工藝在實際應用上仍存在一定的難點。例如對于厚大鑄件而言，其仍無法完美解決厚大的蠟模中心易因受熱膨脹導致的型殼變形和開裂問題。最近，上海大學的劉宏葆等系統研究了微波脫蠟工藝的影響因素，并認為微波脫蠟是一種可以取代常規高壓蒸汽、熱水脫蠟的脫蠟工藝，其在鈦合金的熔模精密鑄造中具有很強的發展潛力。
應該說，上述脫蠟工藝的開發很好滿足了傳統鈦合金精密鑄造的需求，但隨著3D打印快速成形技術的崛起，鈦合金鑄造用模料的材質也已經開始由傳統的蠟料拓寬到高聚物類。而這些材料普遍具有好的化學穩定性和較高的熔點，因此，上述三種脫蠟工藝已無能為力。目前，針對該類模料的去除主要采用加熱燃燒的方法，具體工藝主要有電加熱和燃料加熱兩種。前者采用電阻爐作為加熱設備，在氧化氣氛內加熱，使聚苯乙烯復合物材料完全燃燒掉，易造成大的煙塵，對加熱設備的損壞較大。后者采用煤油爐作為加熱設備，通過煤油爐燃燒產生高溫將型殼內的聚苯乙烯復合物模料燃燒掉。目前，兩種方法在國內鈦合金鑄造企業及科研單位均有所采用。而美國的Pacific Kiln&Insulations，Inc.則在以上兩種工藝的研發基礎上開發出了附有阻燃功能的新一代閃燒脫蠟爐，不僅實現脫蠟和焙燒工序二合一，而且還有效防止了燃燒、煙塵對環境的污染。
2 惰性面層型殼材料的發展
熔融狀態下的鈦具有極高的化學活性，幾乎可以與所有常用的耐火材料發生反應，從而污染鑄件表面，致使鑄件的內部和外觀質量極具惡化。因此，鈦合金熔模精密鑄造用型殼面層材料的選擇成為提升鈦合金鑄件質量的關鍵。熔模精密鑄造型殼主要由耐火材料和粘結劑組成。而從面層耐火材料的發展歷史上看，鈦合金熔模精密鑄造用耐火材料的選擇大致經歷了三個階段，分別為石墨耐火材料、難熔金屬材料、氧化物陶瓷材料。此外，為了更好地服務于鈦合金熔模精密鑄造，人們也積極開展了一些關于新興面層耐火材料的研發工作。
2.1 面層耐火材料的發展
2.1.1石墨耐火材料
石墨按其來源可分為天然石墨和人造石墨兩大類。通常來講，鈦合金熔模精密鑄造選用的石墨指人造石墨，其是由石油焦炭和瀝青為主要原料，經2 600～3 000℃高溫煅燒而成。人造石墨在真空下具有較高的耐火度和較小的熱膨脹系數，其強度隨溫度的升高而有所增強。此外，石墨在高溫下對熔融鈦合金也具有良好的惰性，這在很大程度上削弱了其與鈦合金的反應。這些優點使得人造石墨很早就被人們選用為鈦合金熔模精密鑄造型殼材料。美國的Howmet公司早在1966年就發布了第一個關于鈦合金石墨型殼精鑄工藝的專利，后經不斷的生產實踐總結逐步形成了成熟的鈦合金熔模石墨型殼精鑄的Mongraf工藝應該說石墨型殼工藝的開發極大地推動了鈦合金熔模鑄造的歷史進程，但人造石墨還是存在著諸多缺點，例如其在空氣中加熱極易被氧化，故必須工作于真空、還原性或惰性氣體氣氛下；吸附氣體的能力強，澆注前需在真空條件下進行高溫除氣；熱導率高，僅次于鋁、銅，因此在澆注過程中易產生激冷效應，致使鑄件表面出現微裂紋、冷隔、流痕、裂紋等缺陷。此外，有研究還發現采用石墨型殼鑄造的鈦合金鑄件會形成嚴重的滲碳現象，影響了鑄件的內部質量。為了解決上述問題，沈陽鑄造研究所趙軍研究員領導的研究小組通過在石墨鑄型內表面涂刷耐火氧化物Y2O3的方法制備了質量良好的鈦合金鑄件，同時未觀察到Y2O3涂料與鈦液發生化學反應的跡象。
2.1.2難熔金屬材料
鈦合金熔模精密鑄造中的金屬造型材料指的是用于面層材料的難熔金屬粉，如鎢、鉬、鉭、鈮等高熔點金屬。這些材料的化學穩定性較高，與熔融鈦接觸時幾乎不發生界面化學反應。關于難熔金屬型殼工藝的研究最早可追溯到20世紀70年代，Brown為解決石墨型殼工藝中存在的問題，嘗試在陶瓷型表面涂覆一些不活潑的鎢粉。隨后的1979年，Basche用鎢的化合物滲透普通陶瓷型殼，然后在還原性氣氛下，如氫氣狀態中焙燒，將鎢的化合物還原，生成鎢和鎢的氧化物，從而在耐火材料表面包覆了一層鎢。但是，盡管該型殼在一定程度上減少了與鈦液的反應，但是存在氧化物的問題。美國的Rem公司在前人研究基礎上開發出了鎢面層熔模陶瓷型殼工藝。這種工藝的面層漿料主要由填料鎢粉和粘結劑二醋酸鋯組成，經高溫焙燒后，二醋酸鋯分解的氧化鋯與鎢粉一起燒結成高強度的型殼面層。生產實踐表明，采用鎢面層陶瓷型殼工藝生產的鈦合金鑄件表面光潔度高、內部組織致密，同時無α脆性層，因此，該工藝較適用于制造復雜結構的航空用鈦合金精鑄件。然而，類似于石墨材料，由于鎢金屬本身高的熱導率，鑄件表面也易因激冷而產生冷隔、流痕等缺陷。此外，這種型殼脫蠟時常需使用三氯乙烯或其他一些有機溶劑，而這些溶劑的使用勢必會造成人體健康和環境的損害。因此，鎢面層型殼工藝在鈦合金的熔模精密鑄造中并未得到大范圍應用。
2.1.3氧化物面層耐火材料
對比石墨耐火材料和難熔金屬面層材料，氧化物面層材料的熱導率較低且不易吸附氣體，這不僅更好地保證了合金的充型能力，而且也降低了合金澆注的環境要求。因此，氧化物陶瓷材料是目前國內外普遍選用的面層用耐火材料。經過多年的研究與發展，常用的氧化物面層材料主要有A12O3、CaO、ZrO2、Y2O3和ThO2，它們與熔融鈦合金反應的能力依次減弱。這其中，盡管ThO2與鈦液反應的惰性最強，但因其高成本和放射性已被停止使用。
A12O3俗稱剛玉，其不但具有較高的熔點，而且還具有良好的熱抗震性能，因此，該材料被廣泛用于型殼的背層材料。普通的剛玉是不能直接使用的，必須事先經高溫煅燒或電熔轉化為穩定的剛玉粉。近些年來，考慮A12O3在抑制TiAl基合金活性和氧固溶度上的優勢，以及與TiAl合金相近的熱膨脹系數，研究人員普遍看好其在TiAl基合金熔模精密鑄造中作為型殼面層材料的應用前景。Misra系統研究了A12O3與TiAl合金之間的反應程度，發現隨著TiAl合金中Al含量的增加，兩者之間的界面反應程度逐漸降低；當Al含量增加到50at.%時，界面處幾乎觀察不到明顯的反應跡象。陳玉勇等對比研究了氧化鋯和A12O3分別作為面層材料澆注TiAl系合金時形成的反應層厚度，發現A12O3與熔融的鈦液發生了較為嚴重的化學反應，并形成了厚度達30～40μm的連續反應層。而Kim等的研究結果則表明，選用熱力學穩定的粘結劑可以有效降低A12O3與TiAl合金的界面反應，從而有利于減小反應層厚度。由此可見，通過一定的工藝調整，A12O3應該可以作為澆注TiAl合金鑄件的型殼面層材料。
CaO因具有來源廣泛、價格低廉，以及高溫狀態下較高的化學穩定性，一直以來被人們視為具有巨大發展空間的面層耐火材料。但CaO在室溫下極易因吸潮而發生水解，這在很大程度上限制了其應用。因此，為了規避水化風險，當采用CaO作為型殼材料時必須要預先對其進行致密化提純，并在澆注時要保證熱殼澆注。Degawa等采用具有致密化CaO面層材料的陶瓷型殼澆注了鈦合金鑄件，發現鑄件表面含氧量低，同時未檢測出Ca元素，表明CaO與鈦液間的界面反應極低。LaSalle提出了一種利用碳酸鈣和水基堿性粘結劑制備CaO面層材料的方法，并利用該工藝成功制備出了表面質量優良的渦輪增壓器轉子。由此可見，CaO作為活潑金屬的鑄型面層材料將大有可為。
ZrO2和Y2O3是目前為止研究最多、應用上最廣泛的鈦合金熔模精密鑄造用型殼面層耐火材料。研究表明，ZrO2在高溫下與熔融鈦合金接觸時具有很好的惰性，例如，李邦盛等利用自制的ZrO2面層陶瓷型殼澆注鈦合金鑄件，結果顯示，經該型殼澆注的鑄件表面質量良好，其表面反應層厚度僅約為50μm。應該指出的是，作為面層材料的ZrO2在使用前必須要經過穩定化處理，這是因為普通ZrO2的晶格類型在1 182℃下會由單斜轉變為四方晶格，極大地增加了型殼開裂的風險。為了規避該風險的發生，通常的做法是向普通的ZrO2中添加4%～8%的CaO，經高溫電熔或煅燒后得到使其形成穩定的ZrO2。
與ZrO2一樣，Y2O3在使用時也需預先進行穩定化處理后才能作為鈦合金熔模精密鑄造的面層耐火材料。相較于ZrO2，Y2O3對熔融鈦液的惰性更高且所澆注出的鑄件表面污染層更薄，鑄件輪廓也更為清晰，尤其對于大型薄壁鑄件而言，這種優勢更為顯著。中科院沈陽金屬研究所的賈清等對比研究了Y2O3、ZrO2分別作為面層材料的陶瓷型殼對鈦合金精鑄件表面質量的影響，發現ZrO2與鈦液的反應層厚度約為30～40μm；但在采用Y2O3面層型殼澆注出的鑄件表面幾乎檢測不到Y元素的存在，說明Y2O3與鈦液的界面反應極其微弱。然而，Y2O3作為面層耐火材料也存在一定的劣勢：一方面，Y2O3與硅溶膠、二醋酸鋯、釔溶膠等制成的涂料對pH值的控制要求較高，當pH值發生變化時，漿料極易發生凝膠現象，因此，Y2O3涂料的制備工藝要求較為苛刻；另外一方面，釔作為稀土元素，在地殼中的含量僅約為2.8×10-30%，這使得Y2O3的價格較為昂貴，這無形中增加了鈦合金鑄件的制造成本。為了解決這個問題，近些年來，研究者們也進行了一些嘗試和努力，例如，北京航材院的戴介泉選用含有60%以上Y2O3的混合重稀土氧化物取代純Y2O3制備出了符合工藝要求的陶瓷型殼，從而極大地降低了生產成本。
2.1.4其他類型面層耐火材料
除了以上介紹的面層耐火材料，研究人員也對一些碳化物（ZrC、Cr3C2）、硼化物（CrB2、MoB2、TaB2）、硅化物（MoSi2）以及硫化物（CeS）進行了研究和探討。但從目前的相關報道看，只有TiC和CeS與熔融鈦液的反應較弱，顯示出作為面層耐火材料的發展前景，而部分碳化物、硅化物及硼化物中的一些元素組元會與鈦元素在一定溫度下形成低熔點的共晶相，進而嚴重影響鈦合金鑄件的質量。
2.2 粘結劑的發展
熔模精密鑄造用型殼是以化學方式將粘結劑與耐火材料混合制成涂料漿，然后經高溫焙燒而成。因此，粘結劑是一種非常重要的材料：它不僅要為各類型耐火材料顆粒間的粘結提供“骨架”，而且在型殼焙燒后，其產物還要為型殼提供足夠的強度。生產實踐表明，一個好的鈦合金熔模精鑄用粘結劑需具備如下的特征：①焙燒后的產物要具有高的熱力學穩定性，以盡可能降低與熔融鈦的化學反應；②要對型殼用耐火材料有很強的潤濕和粘結能力；③對光潔蠟模要有較好的涂掛成形能力。
早期鈦合金熔模精密鑄造中常用的面層粘結劑主要為碳質粘結劑和酚醛樹脂。這類粘結劑主要用于制備熔模精鑄用石墨型殼。在此期間，研究人員還嘗試使用水玻璃、硅酸乙酯等作為鈦合金鑄造用粘結劑，但是發現，鈦合金與型殼的界面反應十分劇烈，因此不適合作為面層材料的粘結劑。目前，硅溶膠、二醋酸鋯以及碳酸鋯銨的有機化合物是鈦合金熔模精鑄中最常用的粘結劑。其中二醋酸鋯在熔模精密鑄造中的應用最為廣泛，無論是難熔金屬還是氧化物面層耐火材料都可以用其作為主要粘結劑。
然而，從當前的國內外研究熱點看，硅溶膠在未來的粘結劑選用上大有取代醋酸鋯之勢。相比醋酸鋯，硅溶膠不僅價格低廉、來源廣泛，并且其工藝性、粘結性及型殼強度等明顯都優于二醋酸鋯。目前來看，硅溶膠作為粘結劑的一個最大弊端是，當其與氧化釔結合時容易發生過早凝膠，從而嚴重降低料漿的使用壽命。研究表明，氧化釔與硅溶膠之間發生的凝膠現象與氧化釔的極易水化有著緊密聯系。據此，一些行之有效的措施也相繼被提出。例如，Horton嘗試在氧化釔和硅溶膠組成的涂料漿中引入一定量的氫基離子源（主要為氫氧化鈉），發現經該措施配備的涂料漿的pH值在6天時間里仍保持在10.2以上，從而有效抑制了過早凝膠的發生。Yasrebi等利用氧化鋯在水中較小的溶解度的特點，在氧化釔的坯料中摻入少量的氧化鋯，同樣也實現了降低氧化釔水化發生的目的。而我國武漢精密鑄造廠周澤衡和清華大學姜不居等則采用硅酸乙酯和酸性/堿性硅溶膠混合的方法成功制備了用于“華夏編鐘”鑄造的粘結劑。由此可見，在一些輔助措施或新工藝的加持下，硅溶膠在未來的鈦合金熔模精密鑄造中將大有可為。
除以上常用粘結劑外，出于生產成本和工藝優化方面的考慮，我國學者也一直在進行新型粘結劑的研究和開發，如北京航空材料研究所研制的Gu-1及Gu-3型粘結劑，哈爾濱工業大學研制的LJ-8型粘結劑等均顯示出良好的應用前景。
3 結束語
作為近凈成形工藝的一種，鈦合金熔模精密鑄造工藝的發展不僅催生了新型鈦合金鑄件的應用，而且也極大地推動了國家航空航天等高、精、尖工業的迅猛發展。然而，誠如上文所介紹的，鈦合金熔模鑄造工藝在模料、模樣制備、面層耐火材料和粘結劑選擇方面還存在著一定的局限性和不足，這不僅無形中會增加鈦合金鑄件的生產成本，而且還會限制鈦合金的進一步應用，尤其是隨著航空裝備的更新換代，這種限制會愈加顯著。因此，完善和提升鈦合金熔模精密鑄造技術還需鑄造工作者們的共同努力，以使鈦合金熔模精密鑄造技術向著低成本、優質化的方向發展。將來鈦合金熔模精密鑄造的發展趨勢如下：
（1）在模料方面，隨著鈦合金精鑄件需求的不斷增加，尤其是大型薄壁復雜鈦合金構件，基于3D打印的快速成形技術因其具有高精度、工藝簡單、自由度高等優點，在未來的熔模精密鑄造領域具有無限的發展潛力。因此，開發更多的熔模材料種類以適應不斷更新地快速成形工藝將是未來重點研究的問題。而就傳統的蠟料而言，尋找價格低廉、綜合性能優良、復用性好的高品質模料仍將是相關研究人員和生產企業的主要關注點。
（2）在脫模工藝方面，隨著我國對熔模精密鑄造可持續化發展重視程度的不斷提高，清潔化、低成本、自動化、普適性強及模料回收率高將是未來脫蠟工藝的革新重點。
（3）在面層用耐火材料方面，目前氧化釔和氧化鋯仍是廣泛使用的面層耐火材料，但兩者高昂的價格成本限制了熔模精密鑄造的規模化應用。因此，開發新的惰性面層耐火材料，或改良已有的價格低廉的耐火材料將是未來耐火材料發展的必由之路。
（4）在粘結劑的選擇方面，研發低成本、高穩定性以及無毒無害的粘結劑是未來的研究熱點之一。其中，硅溶膠工藝有望率先取代醋酸鋯或釔溶膠，而成為主要的面層耐火材料的粘結劑。因此，在進一步加大硅溶膠凝膠機理探究的同時，著手優化面層制備工藝則顯得尤為重要。
作者：宋浩，韓冬，趙軍，劉時兵，史昆，徐凱，劉鴻羽，李重陽
單位：北京動力機械研究所
來源：《鑄造》雜志202012期
編輯整理：劉東輝
