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，伴隨著宇航業(yè)和國防工業(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(fā)上的起步較晚，但卻顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。我國最新研制的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，尤其對于某些具有薄壁特征的復(fù)雜構(gòu)件而言，這無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、德國和俄羅斯等世界幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)50年代開始就致力于鈦合金鑄造工藝的研究和開發(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(tǒng)鑄造工藝，熔模精密鑄造具有如下優(yōu)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(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，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。客觀講，鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)在一定程度上是國家鑄造技術(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且復(fù)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(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伜辖痂T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(guī)格都較簡單，生產(chǎn)化和專業(yè)化程度也相對較低。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，我國許多研究機(jī)構(gòu)或個(gè)人已經(jīng)開始著手于對先進(jìn)模料的研究和開發(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、樹脂、有機(jī)高分子聚合物和木薯淀粉組成。經(jīng)測試，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)充了我國精鑄行業(yè)在該領(lǐng)域的空白。

　　相較于國內(nèi)熔模鑄造用模料的現(xiàn)狀，國外模料商品化歷史悠久，品種豐富且規(guī)格齊全，已形成專業(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及性能。此外，在先進(jìn)模料的開發(fā)與應(yīng)用上，國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，通過射蠟機(jī)和壓蠟?zāi)＞邏褐瞥尚巍Ｔ摴に囕^適用于無復(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Γ渲猩湎灉囟鹊挠绊懽顬轱@著。闞精誠等的研究則表明，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(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)致型殼開裂，甚至無法完成脫蠟。由此可見，開發(fā)更多的熔模材料種類，進(jìn)一步優(yōu)化激光快速成形工藝仍然是未來重點(diǎn)研究的問題。

　　1.3 脫蠟工藝的發(fā)展現(xiàn)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?zāi)Ｊ軣崤蛎浂l(fā)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(guān)鍵工序之一。根據(jù)脫蠟原理的不同，目前國內(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化學(xué)作用將蠟?zāi)Ｈ芙獠⒖恐亓κ蛊淞鞒鲂蜌ぃ虼耍摴に囋谝种菩蜌ぷ冃魏烷_裂方面具有顯著優(yōu)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(diǎn)就是使用的有機(jī)溶劑（三氯乙烯）對人體和環(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)勢而生。該類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)，而且操作簡單、蠟料回收效率高。由于這類工藝在應(yīng)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(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號新型粘結(jié)劑，這為解決國內(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題和熱水或蒸汽脫蠟型殼材料回溶問題而開發(fā)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(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程。而微波脫蠟則是利用特定波長的電磁波發(fā)射作用在受熱蠟?zāi)Ｉ希瑥?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АＥc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(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)。例如對于厚大鑄件而言，其仍無法完美解決厚大的蠟?zāi)Ｖ行囊滓蚴軣崤蛎泴?dǎo)致的型殼變形和開裂問題。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>