钛合金拥有密度低
、、、比强度高
、、、抗侵蚀机能好等利益，，，宽泛利用于航空
、、、航天
、、、船舶
、、、电子等各个领域
。。。随着航空
、、、航天工业的发展，，，对设备的载荷
、、、强度
、、、 刚性等要求越来越高，，，大型复杂钛合金整体铸件逐步取代传统的“多件组合”结构 （图1）
。。。出格是在航空制作领域，，，发起机在必要高推重比的同时，，，还要具备更长命命
、、、更高靠得住性与经济性及满足适航认证要求，，，加快了钛合金铸件向职能化
、、、整体化
、、、轻量化
、、、大型化发展，，，铸件已从传统意思上的毛坯升级为近净形整体职能部件
。。。铸件结构越来越复杂
、、、外廓尺寸越来越大
、、、最小壁厚越来越
。。；；；尺寸精度越来越高
、、、冶金质量要求近乎严苛；；；对铸件的靠得住性
、、、安全性
、、、长时不变性等要求越来越明确
。。。这些都对大型钛合金异形件提出了越来越高的要求
。。。

图1 大型复杂铸件示意图

1
、、、国内大型钛合金铸件发展示状

20世纪90年代初，，，我国航空发起机的钛合金机匣选取分体铸造再焊接成整体部件方式出产，，，在使用过程中由于机匣焊接量大，，，部件刚性差，，，易产生委顿裂纹，，，部件靠得住性和寿命降落，，，难以实现全寿命使用
。。。随着航空发起机机能要求不休提升，，， 分体铸造再焊接成整体部件的机匣类构件已满足不了航空发起机的使用要求，，，需采 用结构刚性更好
、、、更为靠得住的整体铸件
。。。 

国内从20世纪90年代起发展大型钛合金铸件的研制工作，，，整体铸造的中介机匣率先在XX10发起机上使用
。。？７⒄诡押辖鹬旒际踝暄泻皖押辖鹬研制出产的单元有航空工业贵州安吉航空精密铸造有限责任公司
、、、中国航发北京航空资料钻研院
、、、 中科院金属所
、、、沈阳铸造钻研所
、、、洛阳船舶资料钻研所等
。。。其中，，，航空工业贵州安 吉航空精密铸造有限责任公司
、、、中国航发北京航空资料钻研院是航空用钛合金铸件研制和出产重要单元
。。。近年来，，，我国研制的钛合金铸件尺寸不休增大，，，从概括尺寸 为Φ890 mm航空发起机中介机匣，，，发展到概括尺寸为1 372 mm×782 mm×621 mm 的某钛合金异形结构件（图2）
。。。 

图2 某型飞机钛合金异形结构件

持久以来，，，大型复杂钛合金铸造重要以型号工作为技术发展导向，，，通用技术的发展相对滞缓，，，造成了钛合金铸造技术的进取赶不受骗前铸件质量及尺寸的发展需要，，，使切当前研制及出产中的大型复杂钛合金铸件的制备一向存在型面尺寸精度低
、、、冶金缺点较多
、、、批次不变性不够等方面的技术瓶颈
。。。

2
、、、大型复杂钛合金铸件制作技术

20世纪80年代至90年代初，，，我国根基形成了钛合金精密铸造技术系统，，，近年来起头正视近净形熔模精密铸造技术的工程化利用技术钻研
。。。铸造技术是实现铸造产品质量切合性的基础，，，质量切合性是产品能否实现设备所需职能的必要保险
。。。从铸造技术到产品职能实现是一个复杂的过程，，，各项铸造技术通过质量一致性来实现产品职能
。。。因而，，，铸造技术基础是否扎实，，，尤其是能否突破瓶颈技术
、、、关键技术，，，是大型复杂钛合金铸件能否安全
、、、靠得住地实现其应有职能的重中之重
。。。下面就钛合金铸造过程中的尺寸精度节制技术及冶金质量节制技术进行分析
。。。 

2.1 大型复杂钛合金铸件尺寸精度节制技术

 精密铸造的工艺流程复杂，，，从蜡模到型壳
、、、再到铸件，，，进行递次的状态复制
。。。蜡模
、、、型壳的状态和尺寸不变性及精度传递过程对最终获得高精度铸件拥有重大影响
。。。铸件后续的焊接
、、、热处置
、、、加工均会带来 铸件的变形
。。。

2.1.1 关键技术难点 

大型复杂钛合金铸件受结构限度以及制作过程多成分影响，，，造成铸件变形和尺寸收缩影响成分的多样性，，，要实现变形与尺寸节制就必须别离弄清各成分产生变形的机理，，，能力制订有效的节制步骤
。。。造成铸件变形的重要成分如下
。。。 

（1）蜡模变形
。。。由于结构复杂，，，蜡模模具打开后，，，模具活块只能逐个取出
。。。此时蜡模一部门与模具活块接触，，，另一部门被袒露出来，，，这造成蜡模各部位所受到的约束不能被同时解除且接触的外界温度也分歧，，，形成的收缩分歧；；；而由于大面积薄壁和不等的壁厚差，，，蜡模自身收缩也不一致
。。。在蜡模存放过程中，，， 存放方式
、、、环境温度变动
、、、自重等也会带来蜡模的变形
。。。 

（2）型壳变形
。。。大型复杂模组在制壳过程中受自重影响在模组干燥存放过程中会产生变形；；；型壳是在室温环境下复制蜡模尺寸，，，而浇注后型壳温度会升高到铸件浇注温度左近，，，型壳温度变动会引起其尺寸产生变动；；；浇注过程中受金属液和离心力的作用，，，型壳也会产生变形
。。。 

（3）铸件凝固变形
。。。在蜡模组装置冒口和浇道以及铸件浇注过程中，，，铸件的冷却环境和凝固收缩都受到浇冒口的影响，，，由于铸件自身结构的不均匀
、、、大面积薄壁易变形
、、、尺寸大收缩差大等特点，，，受到浇冒系统对其温度场和收缩应力的影响就更大
。。。

（4）焊接变形
。。。在技术尺度领域内，，，铸件的某些缺点能够通过补焊修复，，，但补焊过程中因部门温度与组织变动产生的应力会导致铸件变形
。。。 

（5）结构变形
。。。与通常铸件相比，，，大型钛合金铸件的尺寸和壁厚差距较大，，，尺寸颠簸受制模
、、、制壳
、、、浇注
、、、热等静压
、、、热处置等过程中的工艺环境影响更显著
。。。

2.1.2 解决的技术蹊径 

通过系统钻研铸件变形及尺寸精度演变法规，，，确定全流程尺寸误差链的关键环节，，，并采取相应的工艺技术措施，，，突破以下尺寸精度节制关键技术
。。。 

（1）蜡模尺寸精度节制技术
。。。通过冷却收缩
、、、重力（蠕变）对蜡模变形法规影响的测试与分析，，，在环境温度受控的前提下，，，优化蜡模存放前提；；；通过蜡模胎模/矫形模，，，节制蜡模的形位变形量，，，保障蜡模的圆度
、、、平面度切合工艺要求；；；选取三坐标或蓝光检测方 法评价蜡模尺寸精度的切合性
。。。 

（2）型壳尺寸精度节制技术
。。。通过制壳过程中载荷分析与校验
、、、脱蜡/焙烧/预热前提下高温-重力对型壳变形影响\熔体热作用和充型载荷对型壳变形影响
、、、 离心力对型壳变形的影响钻研，，，系统制订型壳防变形措施，，，如：设计制作模组防变形工装；；；调节制壳工艺 （湿强度
、、、高温强度）；；；调整优化脱蜡
、、、焙烧
、、、预热 工艺参数，，，将型壳变形率节制在最小领域
。。。 

（3）铸件尺寸精度节制技术
。。。钻研凝固冷却收缩对铸件状态和尺寸影响，，，结合凝固过程应力-应变仿照分析了局，，，通过节制熔铸过程工艺参数（如：铸型温 度
、、、浇注温度等）
、、、调整浇注系统
、、、部门增厚或减薄型壳强度
、、、节制因凝固和冷却收缩碰壁造成的应力不 均和应力集中等步骤，，，使铸件收缩更均匀
。。。 

（4）后处置热过程尺寸精度节制技术
。。。在分析大型铸件在热处置（含热等静压
、、、时效等）
、、、焊接等热过程中变形法规的基础上，，，使用金属资料的蠕变个性，，，设计和制作必要的热定型工装和防变形工装以减小后处置热过程中铸件变形
。。。 

2.2 大型复杂钛合金铸件质量节制技术 

2.2.1 关键技术难点 

由于过程节制难度更大，，，大型复杂钛合金铸件缺点产生的可能性较中小尺寸铸件增长
。。。从现有大型钛合金铸件的出产与加工情况来看，，，铸件浇注后险些都存在肯定数量的冶金缺点，，，靠补焊援救，，，毛坯合格后，，，在加工过程的荧光查抄中，，，还会有部门铸件存在荧鲜明示
。。。对铸件质量影响的重要成分有以下几方面
。。。 

（1）外廓尺寸不休增长，，，加大了熔体的流动距离，，，耽搁了熔体与铸型接触的功夫，，，增长了熔体与铸型相互作用的机遇
。。。 

（2）壁厚差不休增大，，，增长了缩孔
、、、疏松和应力集中的机遇
。。。 

（3）最小壁厚越来越小，，，增大了欠铸
、、、浇不及的可能性
。。。 

（4）铸件结构越来越复杂，，，使金属液填充过程处于多管流动过程，，，极易将外来物卷入铸件成为同化
、、、 夹渣等缺点
。。。 

2.2.2 解决的技术蹊径 

（1）选取数值仿照分析型壳受热前提下的温度场和浇注时的金属液流场
、、、温度场及应力场变动法规
。。。构建现实工况下的温度丈量系统，，，对现实出产过程的温度状态和金属液流动进行丈量，，，从而检验和修改数值仿照了局
。。。

（2）改进型壳温度节制步骤
。。。通过型壳部门保温或激冷等伎俩实现型壳散热前提的差距化精确节制，，， 共同浇注工艺设计，，，优化金属液凝固挨次，，，削减充型不齐全
、、、补缩不及导致的铸件缺点
。。。 

（3）针对构件结构特点，，，结合推算机仿照优化的浇注规划，，，钻研铸型预热温度对金属液充型补缩机能的影响，，，获得优化的铸型预热温度，，，削减流痕
、、、浇不及
、、、缩松缩孔等缺点，，，实现铸件齐全成形
。。。 

（4）选取推算机有限元仿照技术分析温度场对凝固中缩孔等缺点形成的影响，，，预测缺点地位
。。；；；诖肆司，，，优化三维铸件结构
、、、浇冒口等浇注系统设计
。。。选取X射线探伤
、、、渗入检验等无损检验伎俩，，，结合铸件解剖，，，分析检测成形的铸件冶金缺点及其散布法规，，， 并与有限元仿照了局对比验证，，，迭代工艺参数设置，，， 优化浇注工艺
。。。 

（5）选取热等静压技术解除铸件内部缩松缩孔缺点
。。。 

3
、、、大型复杂钛合金熔模铸造工艺案例

如图2的某钛合金异形结构铸件是典型的大型复杂钛合金铸件
。。。钛合金铸件制作工序流程长（从投料到铸件入库必要经过70余道重要工序），，，任一工艺过程操作质量对铸件最终质量都将造成影响
。。。重要的工艺过程有：蜡模压抑
、、、蜡模组合
、、、涂料制壳
、、、熔炼浇 注
、、、吹砂打磨
、、、排故补焊
、、、酸洗荧光
、、、热等静压
、、、多 次X光探伤
、、、矫形
、、、机加终检等
。。。由于钛合金熔体非；；；钤，，，浇注熔体多选取真空自耗电极凝壳炉获得，，， 因该种熔炼方式金属液过热度不高，，，造成熔体自身粘度大
、、、流动性差，，，通常选取离心浇注的方式进行铸造 出产
。。。

3.1 制模过程 

3.1.1 制模工艺 

蜡模尺寸节制是铸件尺寸节制的首要环节，，，为保 证蜡模尺寸的正确性，，，同时验证工艺参数的可行性，，， 压抑了分歧压型预热温度
、、、射蜡压力和保压功夫的蜡模，，，对蜡模尺寸划线查抄
、、、三维扫描（图3）和粉碎性全面尺寸丈量，，，确定适合的制模工艺参数
。。。

图3 三维扫描了局

3.1.2 蜡模尺寸节制技术 

设计了蜡模胎：筒饩，，，对蜡模进行切合性改过
。。。铸件曲面所对应的蜡模曲面变形量丈量了局批注，，，设计的蜡模胎：筒饩吣苡行Ы谥评１湫，，，经胎模固化
、、、测具查抄节制和胎模部门改过后的蜡模尺寸能节制在0.5 mm左右（图4）
。。。

图4 蜡模胎：筒饩

3.2 浇注系统设计 

3.2.1 推算机工艺规划仿照 

利用铸造工艺仿照仿真软件对表1所示分歧工艺参数下的工艺规划进行了浇注和凝固仿照分析，，，为浇注工艺参数优化提供了凭据
。。。仿照过程见图5
。。。

图5 工艺仿照充型和凝固过程

表1 工艺仿照规划

3.2.2 仿照了局分析 

由图5分析了局可知，，，规划一充型
、、、补缩成效更好，，，其重要原由于离心转速高，，，有利于合金的充型和补缩
。。。若降低离心转速，，，则必须大幅度提高型壳预热温度和加大补缩通道
。。。但是两种规划的轴承孔处冒口容量都不够，，，补缩成效都不好，，，需加大厚大部位的补缩
。。。

3.2.3 浇注系统确定 

由于铸件拥有外廓尺寸大
、、、薄壁的特点，，，蜡模组合工艺规划重要思考了以下两个问题： 

（1）设计相宜的内浇道与横浇道以及中心浇道的比例关系，，，以保障型腔内获得足够的压强；；； 

（2）由于蜡模为非对称薄壁异型面，，，组合规划 （图6）必要思考模组在制壳旋转过程中容易因重量不平衡而产生扭矩，，，导致模组断裂
。。。特制做涂料用工装
。。。 

图6 蜡模组合工艺示意图

3.2.4 防变形设计 

思考铸件筋板跨度大易变形，，，为保障蜡模强度，，， 预防蜡：椭后工序变形，，，在蜡模相应地位组合设计制作
、、、装置了工艺筋，，，用以衔接跨度较大的铸件筋板，，，形成了防变形框架，，，如图7所示
。。。 

图7 蜡模防变形工艺筋图片

3.2.5 专用涂料工装设计 

铸件蜡模结构为非对称薄壁异型结构，，，在组合和涂料过程中常在浇冒口等衔接部位出现裂纹或断裂，，，增长了铸件变形
、、、跑火
、、、气孔和高密度夹渣缺点的风险
。。。为 改善模组的受力情况，，，阐扬工装的防变形和对模组的；；；ぷ饔，，，最大限度削减模组出现裂纹或断裂的风险，，，提高铸件的实物质量，，，设计制作了专用组合工装，，，预防蜡模在组合及涂料过程中的变形，，，如图8所示
。。。 

图8 专用组合工装

3.3 制壳技术 

铸件蜡模尺寸大
、、、壁薄
、、、整体强度差，，，在涂料过程中易产生垮塌或产生微裂纹
。。。脱蜡后在型腔内理论形成飞翅，，，浇注时卷入金属液中形成夹渣
。。。因而，，，必须用加固框架加强蜡模组的强度，，，并且在操作过程中要当真，，，预防模组产生垮塌或蜡模产生裂纹
。。。

3.3.1 制壳操作 

由于模组概括尺寸超出现有涂料出产机械手的规格限度，，，只能手工涂料，，，增长了模组沾浆和撒砂均匀性的难度，，，涂料工艺不变性差
。。。为此设计制作了专用涂料吊轴，，，选取吊车和人为旋转涂料
。。。

3.3.2 制壳工艺资料钻研 

高密度同化和荧光线性显示一向是钛合金铸件的重要缺点，，，型壳质量不变性不高是重要原因之一
。。。为进一步提高钛合金铸件质量，，，缩短出产周期，，，选取碱性制壳资料（硅溶胶为主）代替酸性制壳资料（以二 醋酸锆为主），，，型壳经涂料焙烧后，，，理论质量优良，，， 无理论裂纹和面层脱落景象
。。。经X光透视批注，，，铸件高密度夹渣缺点大幅度削减
。。。

3.4 溶解浇注工艺技术钻研 

正确选择与节制熔炼工艺参数，，，是保障获得优质铸件的关键环节
。。。由于钛合金是活跃性金属，，，熔融状态容易与N2
、、、O2
、、、H2等气体产生反映，，，因而钛合金熔炼和浇注过程要在真空状态下进行，，，既预防钛液氧化，，，又预防合金内的N2
、、、O2
、、、H2含量超出尺度要求
。。。工艺参数确定
。。。 

（1）真空度
。。。预防熔融钛液氧化，，，选择较高的真 空度，，，真空压力需小于4 Pa
。。。 

（2）电参数
。。。由于铸件概括尺寸大
、、、壁厚薄，，，要得到齐全的铸件，，，必要较高的熔炼温度，，，对于真空电弧熔炼，，，在保障电压不能过高的情况下，，，提高温度的关键是要尽量提高熔炼电流
。。。同时，，，为使设备熔炼过程处于安全状态，，，在提高熔炼电流的同时要预防断弧 和偏弧
。。。综合上述分析，，，选取的熔炼电参数为：溶解电压为34～50 V；；；溶解电流为28 000～32 000 A；；；溶解量依照模组重量推算
。。。 

（3）离心转速
。。。提高离心转速是大型
、、、薄壁铸件充型的关键，，，凭据理论推算公式为：

式中：n为离心盘转速（r/min）；；；G为重力系数；；；R为离心回旋转中心到铸件的最短距离（cm）
。。？Ｋ伎贾结构的特点，，，推算选用的离心转速为200 r/min
。。。

此外，，，因铸件外概括尺寸较大，，，制作了专用的装炉箱以保障型壳有足够的强度接受设计转速下的离心力，，，如图9所示
。。。 

图9 装箱
、、、装炉示意图

3.5 铸件后处置尺寸节制 

3.5.1 铸件热处置防变形工装设计 

通过对比热等静压前后铸件尺寸发现，，，铸件经热等静压处置后存在肯定的变形量
。。。为此凭据铸件在热等静压过程中的装炉方式，，，从预防铸件变形思考，，，设计了图10所示的热等静压防变形工装
。。。同时为满足现场研制要求，，，焊接制作了简易热等静压卡板，，，利用后对铸件防变形起到了肯定成效，，，热等静压后铸件经划线查抄曲面误差能节制在1.5 mm左右
。。。 

图10 热处置防变形工装

3.5.2 铸件真空蠕变热矫形工艺优化钻研 

为了保障铸件变形后的尺寸状态和地位精度，，，设计制作了热矫形模具，，，并进行了热矫形工艺尝试
。。。在铸件研制中优化了两种整体热矫形工装设计思路，，，具体见表2中优化规划1和2
。。。利用优化规划2的矫形模对铸件进行矫形后，，，铸件经划线查抄和三坐标拟合查抄后，，，曲面的尺寸误差能节制在1.5 mm左右
。。。

表2 热矫形工艺规划对比

3.6 某钛合金异形结构件研制了局 

（1）对制模
、、、组合
、、、涂料
、、、熔炼浇注
、、、热矫形等铸造过程采取的技术措施有效
、、、可控
。。。 

（2）铸件质量切合GJB2896A之I类B级验收要求
、、、尺寸状态切合HB6103—2004/CT7
。。。经装机试验，，，满足使用要求
。。。

4
、、、实现语

大型复杂钛合金整体铸件已经成为钛合金熔模铸造的发展趋向，，，我国有关技术与国皮毛比仍存在较大差距
。。。为削减质量颠簸
、、、提高铸件质量，，，以下铸造关键过程的节制尤为重要： 

（1）确定合理制模参数及蜡模防变形措施是大型复杂钛合金铸件精密铸造尺寸精度节制的关键；；；选取热矫形对铸件尺寸进行节制是应对大型复杂钛合金铸件精密铸造尺寸变形的重要步骤；；； 

（2）针对大型复杂钛合金铸件，，，应适当增长离心转速
、、、提高预热温度，，，在离心半径较小部位及厚大部位加大冒口补缩，，，能有效提高质量；；； 

（3）选取推算机仿照优化浇注系统设计，，，可缩短大型复杂钛合金铸件研制周期，，，急剧提升产品质量
。。。