摘要：作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家鑄造技術(shù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)。文中就鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)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(jié)劑等發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，為我國(guó)鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)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(qiáng)度、耐高溫和抗腐蝕等，業(yè)已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。尤其近幾十年來(lái)，伴隨著宇航業(yè)和國(guó)防工業(yè)的迅猛發(fā)展，鈦合金的使用量和應(yīng)用水平都獲得了顯著提升。以民航客機(jī)為例，法國(guó)空客公司的A380的用鈦量已由第四代A340時(shí)的6%猛增到10%；美國(guó)波音公司的B787也由B777的8%提高到15%。相較于國(guó)外，盡管我國(guó)在鈦合金研發(fā)上的起步較晚，但卻顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。我國(guó)最新研制的C919大型飛機(jī)的用鈦量已達(dá)到了9.3%，這已經(jīng)超過(guò)了B777飛機(jī)的用鈦量。然而，鈦合金因其本身高的化學(xué)活性，小的熱導(dǎo)率及較低的塑性，導(dǎo)致其在傳統(tǒng)的加工方式下較難成形，尤其對(duì)于某些具有薄壁特征的復(fù)雜構(gòu)件而言，這無(wú)疑限制了鈦合金的進(jìn)一步應(yīng)用。為了打破這一困局，美國(guó)、德國(guó)和俄羅斯等世界幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)50年代開(kāi)始就致力于鈦合金鑄造工藝的研究和開(kāi)發(fā)，其中以近凈成形工藝的熔模精密鑄造技術(shù)所取得的成績(jī)最為世人所矚目。

　　熔模精密鑄造也稱(chēng)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(duì)比傳統(tǒng)鑄造工藝，熔模精密鑄造具有如下優(yōu)勢(shì)：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(lèi)限制，并可鑄造各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件等。尤其是20世紀(jì)70年代末，熱等靜壓（HIP）技術(shù)被廣泛應(yīng)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(xué)性能及穩(wěn)定性。得益于以上的這些優(yōu)勢(shì)，鈦合金的熔模精密鑄造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為世界制造領(lǐng)域中不可取代的基礎(chǔ)工藝之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前航空工業(yè)中使用的98%以上鑄造鈦合金構(gòu)件都是采用熔模精密鑄造技術(shù)制備成形的?？陀^講，鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)在一定程度上是國(guó)家鑄造技術(shù)水平是否先進(jìn)的重要體現(xiàn)。

　　給出了熔模精密鑄造技術(shù)的簡(jiǎn)要工藝流程圖。如圖所示，首先在組裝好后的蠟?zāi)＝M的表面須涂覆一層由耐火粉和粘結(jié)劑組成的漿料，隨后撒一層耐火砂料并進(jìn)行干燥處理。重復(fù)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(tài)下對(duì)型殼脫蠟和焙燒，以使型殼獲得一定強(qiáng)度和厚度。鑄造時(shí)，將熔融的金屬液澆注到型殼內(nèi)，并在金屬冷卻后利用機(jī)械的方法將外部型殼去除。最后，對(duì)脫殼的鈦合金鑄件進(jìn)行一定的清理打磨、檢驗(yàn)以及必要的熱處理。不難發(fā)現(xiàn)，熔模精密鑄造的工藝流程較長(zhǎng)且復(fù)雜，因而，迄今為止，世界上也僅只有較少的國(guó)家成熟地掌握熔模精密鑄造技術(shù)。另外一方面，由于鈦合金本身的化學(xué)活性較高，其在熔融狀態(tài)下幾乎可以與所有的造型材料發(fā)生反應(yīng)，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(duì)技術(shù)的要求更為苛刻。鑒于以上特點(diǎn)，本文以模樣及型殼制備兩方面為切入點(diǎn)，介紹了鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)的研究進(jìn)展，以期望能夠?yàn)槲覈?guó)鈦合金鑄造技術(shù)的進(jìn)一步提升提供有益參考。

　　1 模樣制備及脫模技術(shù)

　　1.1 模料的發(fā)展現(xiàn)狀

　　廣義上來(lái)講，模樣的制備是熔模精密鑄造的第一個(gè)環(huán)節(jié)，因而，模樣質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接關(guān)系到鑄件的品質(zhì)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，模樣的質(zhì)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(shí)通常會(huì)考慮如下幾個(gè)方面：①合適的熔點(diǎn)、軟化點(diǎn)及良好的流動(dòng)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(xué)穩(wěn)定性；⑥良好的力學(xué)性能及合適的韌性；⑦無(wú)毒性。此外，從成本上考慮，模料還應(yīng)具備可回收性和復(fù)用性。綜合考慮以上特性，目前我國(guó)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(guó)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(guó)熔模精鑄用模料的品種和規(guī)格都較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)化和專(zhuān)業(yè)化程度也相對(duì)較低。可喜的是，隨著航空航天領(lǐng)域?qū)Υ笮捅”趶?fù)雜鈦合金精鑄件需求的日益增長(zhǎng)，我國(guó)許多研究機(jī)構(gòu)或個(gè)人已經(jīng)開(kāi)始著手于對(duì)先進(jìn)模料的研究和開(kāi)發(fā)，例如，喬海濱等探究了KC蠟在大型復(fù)雜鈦合金熔模精密鑄造中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)KC蠟的使用可顯著提高某型號(hào)鑄件的質(zhì)量，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且也縮短了交貨周期。而廣西大學(xué)則自主研發(fā)了一種熔模精密鑄造用模料。該模料要由石油蠟、樹(shù)脂、有機(jī)高分子聚合物和木薯淀粉組成。經(jīng)測(cè)試，該模料的抗彎強(qiáng)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(chǎn)的幾種石蠟和微晶蠟為主要原料，制備了分別具有高強(qiáng)度、高硬度、高熱穩(wěn)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(bǔ)充了我國(guó)精鑄行業(yè)在該領(lǐng)域的空白。

　　相較于國(guó)內(nèi)熔模鑄造用模料的現(xiàn)狀，國(guó)外模料商品化歷史悠久，品種豐富且規(guī)格齊全，已形成專(zhuān)業(yè)化系列產(chǎn)品。以日本株式協(xié)會(huì)生產(chǎn)的K系列精鑄蠟為例，表3給出了該系列模料的分類(lèi)及性能。此外，在先進(jìn)模料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用上，國(guó)外最近也取得了許多令人矚目的成果。Muschio和Henry研發(fā)了一種含乙酸纖維素的熔模鑄造蠟，其最大優(yōu)勢(shì)是燃燒時(shí)不產(chǎn)生致癌物質(zhì)，且固化速度快，裂紋極少。Mcnulty等則以聚對(duì)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(shí)踐表明，該蠟?zāi)軌蛴行Э刂迫勰ｈT造時(shí)蠟料的膨脹和收縮，且在脫模時(shí)幾乎不殘留灰分。

　　1.2 模樣制備的發(fā)展現(xiàn)狀

　　模樣制備主要有傳統(tǒng)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(guò)射蠟機(jī)和壓蠟?zāi)＞邏褐瞥尚巍Ｔ摴に囕^適用于無(wú)復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的批量化和大型化生產(chǎn)，但其顯著缺點(diǎn)是事先須制備生產(chǎn)用模具，因此無(wú)形中增加了生產(chǎn)周期和研發(fā)成本。值得注意的是，當(dāng)采用蠟料進(jìn)行鈦合金精密鑄造時(shí)，模料在壓注過(guò)程中合理的壓注工藝參數(shù)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(shí)間、模料的流量和流速等都會(huì)影響蠟?zāi)５某尚钨|(zhì)量。例如，周李明等采用自制的網(wǎng)格狀射蠟?zāi)＞呦到y(tǒng)性地揭示了射蠟溫度、射蠟時(shí)間、射蠟壓力對(duì)蠟?zāi)３湫托阅艿挠绊懀l(fā)現(xiàn)射蠟溫度、射蠟壓力以及射蠟時(shí)間等的變化都會(huì)直接影響蠟?zāi)５某湫湍芰?，其中射蠟溫度的影響最為顯著。闞精誠(chéng)等的研究則表明，蠟?zāi)５捏w積收縮率、縮痕及變形量均會(huì)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?zāi)５氖湛s和變形傾向增大；而延長(zhǎng)保壓時(shí)間可以在一定程度上有利于降低蠟?zāi)２糠秩毕莸漠a(chǎn)生，如型腔內(nèi)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(shù)字化三維模型，利用激光成形機(jī)進(jìn)行激光加熱分層燒結(jié)成形的快速制模技術(shù)。因此，對(duì)比模具壓蠟，該工藝具有材料利用率高、適用范圍廣、無(wú)需模具和支撐結(jié)構(gòu)、可直接制造任意形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)；但受限于激光快速成形的分布式生產(chǎn)特點(diǎn)，其并不適用于鑄件的大批量、規(guī)模化生產(chǎn)，因此，激光快速成形尚不具備取代傳統(tǒng)模具壓蠟的條件。此外，激光快速成形技術(shù)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(dǎo)致在后續(xù)的脫蠟環(huán)節(jié)中極易因前者較大的熱膨脹系數(shù)而導(dǎo)致型殼開(kāi)裂，甚至無(wú)法完成脫蠟。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)更多的熔模材料種類(lèi)，進(jìn)一步優(yōu)化激光快速成形工藝仍然是未來(lái)重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

　　1.3 脫蠟工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

　　脫蠟（也稱(chēng)脫模）是指從型殼中溶失熔模的過(guò)程。由于在此過(guò)程中，型殼極易因蠟?zāi)Ｊ軣崤蛎浂l(fā)生變形或開(kāi)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(guān)鍵工序之一。根據(jù)脫蠟原理的不同，目前國(guó)內(nèi)外鈦精鑄工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的常規(guī)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(guò)化學(xué)作用將蠟?zāi)Ｈ芙獠⒖恐亓κ蛊淞鞒鲂蜌?，因此，該工藝在抑制型殼變形和開(kāi)裂方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，使其一度成為我國(guó)鈦合金熔模精密鑄造中主流的脫蠟工藝，如在2009年前沈陽(yáng)鑄造研究所一直使用該工藝。然而，該工藝最大的缺點(diǎn)就是使用的有機(jī)溶劑（三氯乙烯）對(duì)人體和環(huán)境具有嚴(yán)重的毒害作用，迫使鈦精鑄企業(yè)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(yīng)勢(shì)而生。該類(lèi)工藝主要借助水溫或蒸汽溫度使蠟?zāi)男蜌ぶ腥苁В鋬?yōu)點(diǎn)是不僅有利于環(huán)境保護(hù)，而且操作簡(jiǎn)單、蠟料回收效率高。由于這類(lèi)工藝在應(yīng)用過(guò)程中，鈦合金鑄造用型殼往往要接觸水或水蒸氣，因此，該類(lèi)工藝并不適用于以水溶性物質(zhì)（如二醋酸鋯）作為粘結(jié)劑，或一些具有遇水回溶性質(zhì)的材料作為耐火骨料的型殼脫蠟。2001年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李邦盛教授成功研制出遇水不回溶的LJ-8號(hào)新型粘結(jié)劑，這為解決國(guó)內(nèi)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(wèn)題和熱水或蒸汽脫蠟型殼材料回溶問(wèn)題而開(kāi)發(fā)出來(lái)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(guò)在線圈上通電加熱產(chǎn)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(guò)程。而微波脫蠟則是利用特定波長(zhǎng)的電磁波發(fā)射作用在受熱蠟?zāi)Ｉ?，?qiáng)制受熱蠟?zāi)５姆肿与S之發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，從而使蠟?zāi)Ｈ苁?。與前述脫蠟工藝比，該類(lèi)脫蠟工藝不僅無(wú)毒無(wú)污染、安全，而且對(duì)型殼材料無(wú)特殊要求。目前，紅外波加熱法已成為國(guó)內(nèi)鈦合金鑄造企業(yè)及科研單位普遍采用的脫蠟工藝，如沈陽(yáng)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(shí)際應(yīng)用上仍存在一定的難點(diǎn)。例如對(duì)于厚大鑄件而言，其仍無(wú)法完美解決厚大的蠟?zāi)Ｖ行囊滓蚴軣崤蛎泴?dǎo)致的型殼變形和開(kāi)裂問(wèn)題。最近，上海大學(xué)的劉宏葆等系統(tǒng)研究了微波脫蠟工藝的影響因素，并認(rèn)為微波脫蠟是一種可以取代常規(guī)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(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/div>