發布日期：2018-10-6 15:29:18
鈦及鈦合金具有密度低，比強度高，耐腐蝕，線脹系數小，生物相溶性好等優異性能，在航空、航天、遠洋運輸、化工、冶金、醫療衛生等行業中都是不可缺少的結構材料。工業上最初應用的鈦及鈦合金制件都是變形件，隨著其用量的增多和應用范圍的擴大，變形反映出機械加工量大，材料利用率低，生產成本高等弊端，于是鑄造技術由此發展起來。鈦鑄造是比較經濟且又容易實現的近成形工藝。鈦及鈦合金在熔融狀態下具有高化學活性，要與常用的各種耐火材料發生化學反應，熔煉和鑄造成形難度很大，必須有其專用的造型材料和造型工藝以及專用的熔煉與鑄造設備。
我國的鈦鑄造90% 以上熔煉與鑄造設備都采用真空自耗電極電弧凝殼爐加離心鑄造。坩堝采用水冷銅坩堝，鈦液的最大澆注量為500 kg。
自耗電極電弧熔煉法是以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽極；大電流熔煉，鈦電極的熔化速度遠遠大于鈦的凝結速度，熔化了的電極以液滴形式進入坩堝，形成熔池；熔池表面被電弧加熱，始終呈液態，底部和坩堝接觸的四周受到循環水強制冷卻，產生自下而上的結晶。這種方法具有結構簡單、維持費用低、大型化容易等優點，缺點是澆注溫度難以調節和控制，一停弧后，金屬液必須在3~5秒內全部從坩堝倒出，否則溫度急劇下降，金屬液過熱度不高，使得液體流動性和補縮能力較差。自耗電極電弧熔煉對電極的質量要求很高，要求電極內部組織致密。熔煉過程中危險性較大，稍微操作不慎將會出現電弧損壞坩堝，造成坩堝外壁強制冷卻的循環水進入坩堝，污染鈦液，水蒸氣損壞真空泵系統。
鈦合金鑄造的造型工藝主要有金屬型、機加工石墨型、金屬面層陶瓷型殼、氧化物陶瓷型殼。
金屬型在鈦合金鑄造領域中，用作鑄型的金屬材料主要有銅、鋼、鑄鐵、鎢、鉬等，與石墨加工型一起統稱為硬模系統。由于存在著工藝上的分型等難點，這種方法很難制造出復雜形狀的鈦鑄件，而大多只在特定的鑄件上使用。
機加工石墨型強度高，退讓性不好，對液態鈦要產生激冷，常使鑄件表面產生裂紋和冷隔，生產成本高、生產周期長。石墨孔隙較大，容易吸潮，所以機加工石墨型使用前必須進行除油、除氣處理，否則鑄件表面氧化現象嚴重。鑄件尺寸比較大，壁比較厚（≥5mm），形狀簡單，所需數量只有一件或幾件。選擇機加工石墨型。
金屬面層陶瓷型殼采用難熔金屬鎢粉作為耐火材料，金屬鎢的熔點高，與鈦液接觸時化學穩定性好，但是鎢粉應具有較高的純度，雜質含量不能超過規定標準，否則將影響鈦鑄件的品質。鎢面層熔模型殼必需采用溶劑脫蠟，而且在特制的脫蠟槽中進行，對人體健康有很大的傷害，同時也污染環境。鎢面層型殼高溫焙燒必須在還原性氣氛下進行，脫蠟后沉積在型殼外貌上的模料灰分很難燒化，在澆注時很容易與液鈦反應，在鑄件外貌形成氣孔。涂料漿工藝性能不好，懸浮性差，涂料漿壽命短，保存困難，價格昂貴。
氧化物陶瓷型殼是將惰性氧化物做為面層型殼耐火材料。各種氧化物材料按其對熔融鈦合金的化學穩定性由低到高排列的順序如下：SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2。ThO2由于具有放射性已基本不用。CaO容易吸潮，所以阻礙了它的應用。現在，用作熔模鑄造型殼面層和鄰面層的材料主要是Y2O3、ZrO2。
未經穩定化處理的ZrO2不能做為鑄鈦的造型材料，因為它會發生同素異形體轉變，常溫下為單斜晶體，高溫下為四方晶體，溫度更高則轉變為立方晶體，單斜晶體轉變為四方晶體時，伴隨著9%左右的體積變化，使型殼發生開裂。通常采取向ZrO2 中加入4%~8%的CaO，經高溫電熔或煅燒后就可以得到穩定的ZrO2 固溶體（也有用Y2O3穩定），工業上大多采用電熔ZrO2。
Y2O3 同ZrO2 一樣，必須經過高溫穩定化處理后才能用作鈦合金造型材料。Y2O3 陶瓷型殼具有熱導率低、強度高等優點，澆注出的鑄件表面質量好，但Y2O3 價格比較昂貴，來源困難。
我國的鑄鈦工業發展比較快，近幾年來新增加了一些鑄鈦生產廠。目前，全國的鑄鈦生產廠、研究所已經將近20 個，新增的鈦鑄造廠也都將產品定位在鈦熔模精密鑄件上，陜西錦瀚稀貴金屬有限公司常年與哈爾濱工業大學、西安交通大學、西北工業大學進行技術交流合作，致力于鈦、鎳、鋯及其合金的精密鑄件生產，形成以精密鑄造為主、機加工石墨型為輔的生產模式。
隨著鈦及鈦合金鑄造技術的發展和日益成熟，加上熱等靜壓（HIP）技術的誕生和在鈦合金鑄件方面的成功應用，較好的解決了鑄件的質量問題，提高了鑄件的可靠性。從20世紀80年代以后，鈦及鈦合金鑄件在航空、航天及其他方面的應用每年以20%的速度遞增。鑄造工藝方面，目前已經由單件鑄造發展到幾件或幾十件零件組合成的大型整體鑄件。應用范圍已經從早期的受力不大的非關鍵靜止結構件發展到成為航空發動機中的構件組成部分，完全取代了一些變形鈦合金、鋁合金、鋼件。隨著航空發動機對推重比和剛度要求的提高，要求其中的一些關鍵鈦合金構件做成大型復雜薄壁的整件精鑄件。一些先進的航空大型渦輪發動機風扇機匣、中介機匣、前機匣、壓縮機機匣等都開始使用鈦合金精鑄件。大型客機的導風管、隔熱屏、支架、框架、耳軸、支撐架、剎車殼體、等也都以鈦合金精鑄件替代原來的構件。軍用飛機方面，鈦合金鑄件的使用也逐步在增加，如：支座、框架、支架、制動勾、機翼上受力物件、方向舵轉動裝置支架、變速裝置殼件、吊架支撐附件等，實踐證實了鈦合金鑄件在飛機上的應用是成功、可靠的。不僅如此，在生產成本上，由于使用了鈦合金鑄件，使飛機的某些機構的設計、加工、緊固、裝配等都變得比原來未使用鈦合金鑄件時的機構簡化了，從而大大降低了飛機的制造成本。鈦合金鑄件在航天領域中主要用于導彈、航天飛機飛船、人造衛星。其應用部位主要為：導彈殼體、尾翼、舵翼及連接座等，航天飛機和飛船支架、框架、支座、附件、殼體等，由于鈦合金鑄件具有高的剛性、輕的重量和光學玻璃相當的熱膨脹系數，也應用于人造衛星及其他光學儀器的托框、基座、連結架以及殼體等。
鈦及鈦合金鑄件在日常工業生產方面也有著廣泛的應用領域。由于鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能，是化工及其他耐腐蝕工業的不可替代的材料。廣泛應用于化工、造紙、石油、制堿、冶金、農藥等工業。主要應用產品是以工業純鈦和鈦—鈀合金為材質的鑄造鈦泵、鈦風機，各種不同類型的閥門，如：截止閥、球閥、旋塞閥、閘閥、蝶閥、止回閥等。
隨著人們生活水平的提高和對健康質量要求的提升，鈦合金以其高的疲勞強度，和人體超強的親和力等諸多優點，也被越來越多的用在醫療衛生領域。如：鑄造鈦合金髖關節修復件、膝關節修復件、人體假肢、口腔修復等等。運動器械領域鈦合金精密鑄件的用量非常巨大，如：自行車配件，高爾夫球頭。尤其是鈦合金高爾夫球頭市場容量最為巨大，但鑄造工藝比較復雜。
目前，鈦及鈦合金鑄件的使用范圍還在擴展，更多的應用領域也在相繼研究，但還存在著一些問題：1.合金品種少、牌號少，基本上常用的鈦合金都是工業純鈦鑄件和TC4合金鑄件。2.鑄件應用范圍小，大部分鑄件都用在了石油化工行業（工業純鈦鑄件），航空、航天領域應用很少，致使我國鈦鑄造工業的工藝和技術水平難以提高。3.造型工藝普遍落后，大部分廠家都是用石墨型造型工藝（機加工石墨型和搗實石墨型），而熔模精密鑄造應用很少。鑄造出的鑄件表面比較粗糙。4.熔煉設備基本上都為真空自耗電極電弧凝殼爐，熔煉過程危險性較高，熔化金屬液過熱度不高，造成鑄件表面易產生流痕、冷隔等缺陷，薄壁零件成形困難。
為改善我國鈦鑄造工業生產的落后狀態，提高我國鑄鈦工業的整體工藝和技術水平，還需進行以下幾方面的研究：
1、改進現有的造型工藝，研究新的粘結劑和造型材料，簡化工藝，縮短生產周期，降低生產成本。
2、研究和發展新的熔煉和鑄造設備及其技術，提高金屬液的過熱度，改善和提高鑄造鈦液的流動性和充型補縮能力，為研制大型復雜薄壁整體精鑄件創造有利條件。
3、進一步擴大計算機模擬凝固技術在鈦合金鑄造中的應用，以提高鑄件質量，減小鑄件的廢品率。
4、研究和發展鈦合金鑄件的各種熱處理工藝和熱化學處理技術，以改善鈦合金鑄件的微觀組織結構，提高鑄件的力學性能。
5、熔模鑄造只能生產中小型鑄件，應尋求一種生產更大型、更凈形、更高效鑄件的造型工藝，提高鈦合金鑄件的生產能力。