一、概述

鈦及鈦合金的鑄造可以直接制造形狀復雜的零件，免去大量的機械加工工序，提高材料的利用率。一般鑄件利用率為45%，精密鑄件則可達75%~90%，這對價格較貴的鈦及鈦合金來說尤為重要。

我國鈦鑄造開始于1964年。寶鈦集團于1965年從日本引進了25kg的真空凝殼爐，并開始了以純鈦、TC4為主的鈦鑄件的生產，為冶金、化工、輕工等部門提供了多種型號和規格的泵、閥、彎頭、醫用人工關節和船用螺旋槳推進器等。目前，寶鈦集團鑄造產業擁有鑄造、制模、制殼、澆注等幾條專業化生產線，已經形成比較完善的機加石墨型鈦鑄造和精密鑄件生產體系，其生產工藝和產品質量達到了國際水平，產品可滿足國內、國際市場的要求。沈陽冶金研究所20世紀60年代開始從事鑄造研究和生產，擁有100kg真空自耗電極凝殼爐。北京航空材料研究院(621所)是我國最早開展鈦合金熔模精鑄的單位，早在1964年就自行設計、建造了5kg真空自耗電極凝殼爐，并對鈦合金的精密鑄造進行了大量的研究，試制成功了發動機用的空心葉片、葉輪、支座等多種鈦合金精密鑄件。該所研制的高精度陶瓷型精鑄件工藝生產的精鑄件，精度、粗糙度達到或接近國際水平，向體育用品市場提供了大量的高爾夫球頭精鑄件。沈陽鑄造研究所自1993年開始鈦的精密鑄造，采用鈦合金熔模鑄造生產出的精鑄件的表面粗糙度為3.2~3.6μm，表面污染層0.015~0.2mm。沈陽鑄造所還研究了造價低的鋯砂型鑄造工藝，表面污染層為0.09mm，鋯砂型的綜合成本比石墨粉搗實型低 50%~60%。

鈦合金化學活性高，在熔融狀態下能與幾乎所有的耐火材料和氣體發生反應，大大增加了鑄造的困難。因此，鈦合金鑄造工藝的發展所遇到的困難比鋼、鋁、鎂都多。鈦合金在鑄造過程中，其熔化和澆注都必須在惰性氣體保護下或真空中進行。常用的設備有真空自耗電弧凝殼爐等，并且應使用強制冷卻的銅坩堝，不能使用普通耐火材料制成的堝。可采用石墨搗實型等鑄鈦造型方法，也可用離心法澆注。

二、鈦及鈦合金鑄造性能

鑄造性能是鈦合金作為鑄造材料的特征，它由鈦合金的成分和鑄造工藝所決定，設計鈦鑄件時必須充分考慮這些性能。

1.流動性

流動性表示熔融金屬流入鑄型澆道和充填鑄型的能力。

熔融金屬填充鑄型是一個復雜的流體動力學和物理化學過程。評定流動性必須考慮到以下方面。

① 鑄造合金的性能 包括液態金屬的熱物理性能、結晶特性、黏度、密度和氧化程度等。

② 鑄型性能 包括熱物理性能、潤濕性能、表面粗糙度、孔隙度和化學反應特性。

③ 熔煉和澆注條件 包括金屬過熱度、澆注速度、澆注方式和熔鑄氣氛等。

2.填充性

填充性是指金屬和合金精確地復制鑄型輪廓，特別是復制薄截面輪廓的能力。

鑄件薄截面的充填與尖銳輪廓的精確復制，在很大程度上取決于毛細管效應，因此，液體金屬的表面張力和對鑄型潤濕性能，是決定填充性的兩個重要因素。

填充性與流動性一樣，是金屬的兩個不同的鑄造性能。它們之間存在聯系，在有毛細管效應的小截面與尖角處，反映填充性的表面張力，與合金流動和填充鑄型能力存在一定的一致性；而在另外情況下，表面張力與流動性之間就不會有直接聯系了，填充性是在制造薄壁鑄件和精密鑄件時選擇合金的主要準則之一。因此，鑄造這類鑄件，只按流動性選材是不合適的。在很多情況下，盡管合金的流動性完全相同，但充滿薄壁鑄件的能力卻往往相差很大。

對液鈦表面張力的研究表明，合金元素對表面張力具有很大的影響。添加鋁、鋯、錫和鈮，能促使鈦合金表面張力的提高，但含量達到一定程度，鈦-鋯和鈦-錫合金的表面張力就開始下降。一般說來，與鈦形成置換固溶體的合金元素，可以提高液態的表面張力。

用真空垂滴法測量Ti-5A1合金的潤濕角的結果表明，在所研究的石墨、電熔剛玉、電熔鎂砂和氧化鋯等耐火材料中，石墨與鈦的潤濕性能是最好的，尤其當石墨型預熱至800℃時，熔融鈦在它上面形成很薄的一層，甚至潤濕角都很難測量出來。在以上耐火材料中，氧化鋯的潤濕性最差。

通過對試驗結果的分析，可以認為，任何元素的添加，都將使鈦的填充性變差。在一定范圍內，隨著添加元素等的含量增加，填充性能隨之下降，并且發現錳、硅和鐵等元素影響很大。除表面張力與潤濕性外，熔融金屬的黏度對填充性也有一定影響。液體金屬黏度受很多因素影響，其中包括合金的熱物理性能。合金的結晶特性，包括結晶溫度間隔、初晶粒的形狀和尺寸等，也均對填充性存在影響。反應產生的大量氣體，阻礙了鈦鑄件薄壁部位的填充與尖銳輪廓的復制。填充性在很大程度上還取決于澆注方法。離心澆注是改善鈦合金薄壁鑄件的填充性的最有效方法

3.收縮與縮孔

金屬及合金的收縮，體現在金屬從液態冷卻至低溫時體積上與線性尺寸上的變化。金屬收縮一般分為液態金屬收縮、凝固時的收縮和固態下的收縮三個階段。金屬的體收縮為以上三部分的總和。線收縮是鑄件從線收縮起始溫度（即鑄件形成硬的結晶骨架的溫度）繼續冷卻到室溫的尺寸變化。

鑄造鈦合金凝固期內的收縮與結晶間隔、冷卻速度及氣體析出情況有關，隨著結晶間隔的增加，凝固期內的收縮顯著增加。

鈦合金的縮孔體積和形狀與鑄件形狀及合金種類有關。結晶間隔小和流動性高的共晶合金，形成集中縮孔；而結晶間隔大和流動性低的合金，多半形成分散的縮松。工業純鈦的集中縮孔為1%左右。合金元素對集中縮孔體積具有較大的影響。當合金的合金元素含量＜10%時，集中縮孔在0.5%~1.5%范圍內變動。

由于鈦合金鑄件過熱度低，靜止澆注時壓頭小，相對來說它的補縮距離比較短，冒口作用范圍小，這就使得鈦鑄件傾向于形成二次縮孔和分散的縮松。提高鈦合金補縮距離的最有效方法是斜度補貼法。

4.形成氣體缺陷的傾向性

容易產生氣體是鈦合金鑄造的特點之一，鈦屬活潑金屬，對氣體的親和力很大，在熔煉澆注過程中，熔融鈦吸收氣體的來源很多，歸納起來有：①爐料中含有的吸附氣體；②真空度不高時爐內的殘余氣體和漏氣時進入爐內的氣體；③吸附在爐膛表面與爐內夾具上、熔煉澆注時受輻射熱或金屬飛濺加熱釋放出來的氣體；④熔融鈦注入鑄型時，釋放出的原吸附于鑄型表面上的氣體，以及金屬與鑄型材料反應生成的氣態產物。

鈦合金氣孔可分為外來氣孔與析出氣孔。外來氣孔是在澆注時鑄型放氣或液態與鑄型材料反應生成氣體產物而造成。析出氣孔是由熔融鈦冷卻凝固時溶解在金屬中的氣體析出而產生。

鈦合金鑄件產生氣體缺陷的程度與澆注溫度有關。鈦合金澆注溫度低，在鑄件中容易形成較多的氣體缺陷，并且在鑄件上部比較嚴重。隨著澆注溫度的升高，氣體缺陷有所下降，但在一定條件下，過高的溫度使得液鈦與鑄型反應加劇，使鑄件氣體缺陷變得更為嚴重。

鈦合金熔煉澆注爐內殘余壓力對鑄件氣體缺陷也具有重要的影響。這種壓力不利于坩中鈦液的除氣，也阻礙了鑄件中氣泡浮出與排除。當然，在較高壓力下澆注與凝固，可抑制氣泡生核與長大。因此鈦合金最理想的熔煉鑄造方式是：在真空下熔煉，在高壓下澆注凝固。

真空凝殼熔煉澆注工藝不利于消除鈦鑄件的氣體缺陷，這一方面是由于金屬熔煉除氣的能力較小；另一方面由于鑄件在真空下凝固，促進了氣泡的長大。目前，消除鈦鑄件氣體缺陷最有效的辦法有：鑄型真空除氣；保證鑄型有良好的透氣性，在澆注系統中設置合理的排氣道；離心澆注，也可以采用壓力鑄造方法。

5.抗裂性

鑄件在凝固冷卻過程中由于收縮、相變與鑄件不同部位的溫差所引起的鑄造應力，會導致裂紋產生。這種裂紋一般分為熱裂紋與冷裂紋。熱裂紋是在固相線附近形成，冷裂紋則在比結晶溫度低得多的彈性變形區內形成。

鈦及鈦合金最突出的特點是具有較高的抗熱裂的特性，甚至采用無退讓性的石墨型芯時，也能獲得無熱裂的鈦鑄件。

表面裂紋是鈦鑄件最常見的缺陷，按其形態及形成條件，表面裂紋應屬于冷裂紋。采用加工石墨型澆注鈦鑄件時，特別容易產生表面裂紋。為了消除表面裂紋，最好采用導熱性低、熱容小的鑄型，如搗實型與陶瓷熔模型。提高鑄型預熱溫度和降低金屬澆注溫度，也是減少裂紋的有效措施。

“α”脆性層的存在使鈦合金鑄件容易產生表面冷裂紋，為了消除冷裂紋產生與擴展的危險，鈦鑄件出廠前，必須進行吹砂、酸洗處理，徹底去除“α”脆性層。

6.鑄造表面特性

鑄造表面形成的特性取決于復制鑄型表面輪廓的能力（粗糙度、機械黏砂），形成宏觀平面度（冷隔、流痕）的傾向，以及與鑄型起化學反應的傾向（鑄疤、“α”脆性層、化學黏砂）。

鑄造表面質量通過表面粗糙度（顯微平面度）和宏觀平面度來衡量。鈦合金鑄件另一重要的表面質量特性是“α”脆性層的厚度。