一、選題背景

　　為滿足航空航天飛行器升級換代對高性能金屬結構件的需求，零部件生產技術和材料不斷進步革新。鈦合金具備密度低、比強度高、耐腐蝕強和耐高溫性等特性，被廣泛應用于航空航天領域的關鍵承力結構件，且使用量不斷增長。然而，鈦合金零件生產過程中存在切削力大、易磨損等問題，導致加工效率低、成本高，限制了鈦合金零部件在低空飛行器、兵器船舶領域推廣應用。熔模精密鑄造技術是解決大尺寸、薄壁、復雜結構鈦合金構件一體化成型難題、降低制造成本的有效手段。經過數十年的發展，當前航空航天工業中90%以上的鈦合金鑄件生產均采用熔模精密鑄造技術。當前，我國航空航天產業處于快速發展階段，國產化在近年錯綜復雜的國際局勢下加速推進，預計未來國內航空航天產業精密鑄造市場總需求量將突破千億。

　　二、研究方法

　　本文綜述了近年來鈦合金精密鑄造在航空航天產業中的應用現狀，回顧了國內外鈦合金精密鑄造工藝發展、材料開發和產品應用，在鑄造工藝方面重點關注了制模、制殼、熔煉澆注和后處理，在材料開發方面主要涉及常規鑄造TC4、高溫近α鈦合金和鈦鋁合金的鑄造性能和力學性能，在鈦合金精密鑄件方面主要介紹了航空航天發動機結構件，最后總結了目前存在的問題并提出了建立材料數據庫、降低生產成本、發展鑄造模擬軟件等展望。

　　三、研究內容

　　（1）鈦合金精密鑄造工藝發展

　　鈦合金熔模精鑄件的生產流程主要有蠟模制作-模殼制作-熔煉澆注-后處理。首先，將計算機輔助設計軟件設計的鑄件模型用模具（或增材制造設備）制作出蠟模，在其表面包裹多層耐火材料形成模殼，加熱模殼使蠟融化流出。然后，通過高溫使模殼燒結陶瓷化后，將熔化的鈦合金液體澆注到模殼內，待金屬液凝固并冷卻后破壞模殼，取出鑄件及澆注系統。最后，對鑄件及澆注系統進行切割澆冒系統、吹砂打磨、檢測、酸洗、修補等后處理工藝后，獲得最終鑄件產品。

圖1鈦合金熔模精密鑄造流程圖

　?。?）精密鑄造鈦合金材料發展

　　鈦合金精密鑄造技術的發展與鑄造鈦合金材料的發展是相輔相成的。為充分發揮鈦合金材料的特性，適配合金的鑄造性能，需要開發針對性的鑄造技術并不斷改進。此外，為降低鑄造難度、控制成本，需要調整鈦合金成分，在最大程度保證使用性能不下降的前提下，使合金成分更有利于鑄造成形和后處理。在這種螺旋上升的態勢下，鈦合金精密鑄造技術和鑄造鈦合金材料都獲得了很大進步，常規鑄造鈦合金的鑄造技術不斷完善，新型高性能鑄造鈦合金材料也不斷被開發出來。國內外應用范圍最廣、使用量最大的α+β型鈦合金是ZTC4；近α鈦合金中，ZTA15合金的使用量最多。國內外耐550℃以上高溫鈦合金主要有Ti1100、IMI834、Ti6242、ZTi55、ZTi60和ZTi65。TiAl合金密度比常規鈦合金更小，還具有優異的高溫抗蠕變和抗氧化性能，可替代鎳基高溫合金在航空發動機600~1000℃高溫區服役。Ti2AlNb合金比大多數TiAl合金高溫強塑性和抗蠕變性能更好，其使用溫度高達800℃，具有很大的替代鑄造鎳基高溫合金的潛力。

　　（3）鈦合金精鑄件在航空航天飛行器上的應用現狀

　　經過幾十年的發展，鈦合金精鑄件已經廣泛應用于航空航天飛行器關鍵結構件，尤其是整體精鑄件的使用為飛行器結構穩定性提升、延長機體壽命、整體減重、減少裝配難度、降低制造成本做出了重要貢獻。常規鈦合金精密鑄件在航空飛行器上的應用最為突出。北京航材院已成為空客CFM 56-7發動機支板的主要供應商，并成為LEAP-1A、1B、1C發動機的鈦合金鑄件供應商。中科院金屬所、北京航材院、西北工業大學、哈爾濱工業大學研制了TiAl合金擴壓器、葉片和增壓器渦輪等鑄件。中科院金屬所生產的45XD合金低壓渦輪葉片已完成英國羅羅公司的Trent XWB大推力大涵道比發動機考核驗證。鈦合金鑄件在導彈上使用比較普遍，有尾翼、彈頭殼體、火箭殼體及連接座等。航天飛行器和人造衛星使用的鈦合金鑄件主要是一些支座，板架與接頭等結構件、人造衛星上照相機框架等。

圖2航空航天飛行器用典型鈦合金精密鑄件

　　四、研究結論

　　近年來，鈦合金精密鑄造技術、材料和產品在航空航天領域的應用取得很大進展，我國在鑄造鈦合金材料開發上已走在世界前列，鈦合金精密鑄造技術基本實現國產化，并大批量應用于航空航天飛行器關鍵結構件上。但是我國鈦合金精密鑄造技術企業與美國先進精密鑄造企業相比仍有一定差距，鈦合金精鑄件應用方面也存在一些亟待解決的難題：

　?。?）新型鑄造鈦合金推廣應用遲緩；

　?。?）鈦合金精密鑄造生產成本下降難；

　?。?）鈦合金精密鑄造模擬仿真技術落后；

　?。?）鈦合金增材制造崛起的強力競爭。為解決這些難題，提升鈦合金精密鑄造的應用水平，我們可以從如下幾個方面進行改進：

　?。?）建立新型鑄造鈦合金成分-鑄造性能-力學性能數據庫；

　　（2）利用數字孿生技術降低生產成本；

　?。?）大力發展國產鑄造模擬軟件。

　　作者介紹

張鵬飛

　　研究員，主要從事航空航天材料先進制造技術研究。

李金山

　　教授，博士生導師，研究方向為先進金屬結構材料及其精確熱成形技術。

　　團隊介紹

　　李金山，西北工業大學教授、博導，凝固技術國家全國實驗室主任，萬人計劃領軍人才，國務院政府特殊津貼專家。兼任中國材料研究學會凝固科學與技術分會理事長、中國機械工程學會鑄造分會副理事長、中國航空學會材料工程分會副主任委員、中國兵裝學會隱身與防護材料分會副主任委員。主要從事先進金屬結構材料及其精確成形技術研究工作。發表學術論文300余篇，合著專著3部，獲授權國家發明專利100余項。獲國家級教學成果獎一等獎1項，二等獎1項；國防科技一等獎1項、二等獎1項，其他省部級科技獎一等獎3項，二等獎2項；中國專利優秀獎1項。