一、概述

钛及钛合金的铸造可以直接制造形状复杂的零件，免去大量的机械加工工序，提高材料的利用率。一般铸件利用率为45%，精密铸件则可达75%~90%，这对价格较贵的钛及钛合金来说尤为重要。

我国钛铸造开始于1964年。宝钛集团于1965年从日本引进了25kg的真空凝壳炉，并开始了以纯钛、TC4为主的钛铸件的生产，为冶金、化工、轻工等部门提供了多种型号和规格的泵、阀、弯头、医用人工关节和船用螺旋桨推进器等。目前，宝钛集团铸造产业拥有铸造、制模、制壳、浇注等几条专业化生产线，已经形成比较完善的机加石墨型钛铸造和精密铸件生产体系，其生产工艺和产品质量达到了国际水平，产品可满足国内、国际市场的要求。沈阳冶金研究所20世纪60年代开始从事铸造研究和生产，拥有100kg真空自耗电极凝壳炉。北京航空材料研究院(621所)是我国最早开展钛合金熔模精铸的单位，早在1964年就自行设计、建造了5kg真空自耗电极凝壳炉，并对钛合金的精密铸造进行了大量的研究，试制成功了发动机用的空心叶片、叶轮、支座等多种钛合金精密铸件。该所研制的高精度陶瓷型精铸件工艺生产的精铸件，精度、粗糙度达到或接近国际水平，向体育用品市场提供了大量的高尔夫球头精铸件。沈阳铸造研究所自1993年开始钛的精密铸造，采用钛合金熔模铸造生产出的精铸件的表面粗糙度为3.2~3.6μm，表面污染层0.015~0.2mm。沈阳铸造所还研究了造价低的锆砂型铸造工艺，表面污染层为0.09mm，锆砂型的综合成本比石墨粉捣实型低 50%~60%。

钛合金化学活性高，在熔融状态下能与几乎所有的耐火材料和气体发生反应，大大增加了铸造的困难。因此，钛合金铸造工艺的发展所遇到的困难比钢、铝、镁都多。钛合金在铸造过程中，其熔化和浇注都必须在惰性气体保护下或真空中进行。常用的设备有真空自耗电弧凝壳炉等，并且应使用强制冷却的铜坩埚，不能使用普通耐火材料制成的埚。可采用石墨捣实型等铸钛造型方法，也可用离心法浇注。

二、钛及钛合金铸造性能

铸造性能是钛合金作为铸造材料的特征，它由钛合金的成分和铸造工艺所决定，设计钛铸件时必须充分考虑这些性能。

1.流动性

流动性表示熔融金属流入铸型浇道和充填铸型的能力。

熔融金属填充铸型是一个复杂的流体动力学和物理化学过程。评定流动性必须考虑到以下方面。

① 铸造合金的性能 包括液态金属的热物理性能、结晶特性、黏度、密度和氧化程度等。

② 铸型性能 包括热物理性能、润湿性能、表面粗糙度、孔隙度和化学反应特性。

③ 熔炼和浇注条件 包括金属过热度、浇注速度、浇注方式和熔铸气氛等。

2.填充性

填充性是指金属和合金精确地复制铸型轮廓，特别是复制薄截面轮廓的能力。

铸件薄截面的充填与尖锐轮廓的精确复制，在很大程度上取决于毛细管效应，因此，液体金属的表面张力和对铸型润湿性能，是决定填充性的两个重要因素。

填充性与流动性一样，是金属的两个不同的铸造性能。它们之间存在联系，在有毛细管效应的小截面与尖角处，反映填充性的表面张力，与合金流动和填充铸型能力存在一定的一致性；而在另外情况下，表面张力与流动性之间就不会有直接联系了，填充性是在制造薄壁铸件和精密铸件时选择合金的主要准则之一。因此，铸造这类铸件，只按流动性选材是不合适的。在很多情况下，尽管合金的流动性完全相同，但充满薄壁铸件的能力却往往相差很大。

对液钛表面张力的研究表明，合金元素对表面张力具有很大的影响。添加铝、锆、锡和铌，能促使钛合金表面张力的提高，但含量达到一定程度，钛-锆和钛-锡合金的表面张力就开始下降。一般说来，与钛形成置换固溶体的合金元素，可以提高液态的表面张力。

用真空垂滴法测量Ti-5A1合金的润湿角的结果表明，在所研究的石墨、电熔刚玉、电熔镁砂和氧化锆等耐火材料中，石墨与钛的润湿性能是最好的，尤其当石墨型预热至800℃时，熔融钛在它上面形成很薄的一层，甚至润湿角都很难测量出来。在以上耐火材料中，氧化锆的润湿性最差。

通过对试验结果的分析，可以认为，任何元素的添加，都将使钛的填充性变差。在一定范围内，随着添加元素等的含量增加，填充性能随之下降，并且发现锰、硅和铁等元素影响很大。除表面张力与润湿性外，熔融金属的黏度对填充性也有一定影响。液体金属黏度受很多因素影响，其中包括合金的热物理性能。合金的结晶特性，包括结晶温度间隔、初晶粒的形状和尺寸等，也均对填充性存在影响。反应产生的大量气体，阻碍了钛铸件薄壁部位的填充与尖锐轮廓的复制。填充性在很大程度上还取决于浇注方法。离心浇注是改善钛合金薄壁铸件的填充性的最有效方法

3.收缩与缩孔

金属及合金的收缩，体现在金属从液态冷却至低温时体积上与线性尺寸上的变化。金属收缩一般分为液态金属收缩、凝固时的收缩和固态下的收缩三个阶段。金属的体收缩为以上三部分的总和。线收缩是铸件从线收缩起始温度（即铸件形成硬的结晶骨架的温度）继续冷却到室温的尺寸变化。

铸造钛合金凝固期内的收缩与结晶间隔、冷却速度及气体析出情况有关，随着结晶间隔的增加，凝固期内的收缩显著增加。

钛合金的缩孔体积和形状与铸件形状及合金种类有关。结晶间隔小和流动性高的共晶合金，形成集中缩孔；而结晶间隔大和流动性低的合金，多半形成分散的缩松。工业纯钛的集中缩孔为1%左右。合金元素对集中缩孔体积具有较大的影响。当合金的合金元素含量＜10%时，集中缩孔在0.5%~1.5%范围内变动。

由于钛合金铸件过热度低，静止浇注时压头小，相对来说它的补缩距离比较短，冒口作用范围小，这就使得钛铸件倾向于形成二次缩孔和分散的缩松。提高钛合金补缩距离的最有效方法是斜度补贴法。

4.形成气体缺陷的倾向性

容易产生气体是钛合金铸造的特点之一，钛属活泼金属，对气体的亲和力很大，在熔炼浇注过程中，熔融钛吸收气体的来源很多，归纳起来有：①炉料中含有的吸附气体；②真空度不高时炉内的残余气体和漏气时进入炉内的气体；③吸附在炉膛表面与炉内夹具上、熔炼浇注时受辐射热或金属飞溅加热释放出来的气体；④熔融钛注入铸型时，释放出的原吸附于铸型表面上的气体，以及金属与铸型材料反应生成的气态产物。

钛合金气孔可分为外来气孔与析出气孔。外来气孔是在浇注时铸型放气或液态与铸型材料反应生成气体产物而造成。析出气孔是由熔融钛冷却凝固时溶解在金属中的气体析出而产生。

钛合金铸件产生气体缺陷的程度与浇注温度有关。钛合金浇注温度低，在铸件中容易形成较多的气体缺陷，并且在铸件上部比较严重。随着浇注温度的升高，气体缺陷有所下降，但在一定条件下，过高的温度使得液钛与铸型反应加剧，使铸件气体缺陷变得更为严重。

钛合金熔炼浇注炉内残余压力对铸件气体缺陷也具有重要的影响。这种压力不利于坩中钛液的除气，也阻碍了铸件中气泡浮出与排除。当然，在较高压力下浇注与凝固，可抑制气泡生核与长大。因此钛合金最理想的熔炼铸造方式是：在真空下熔炼，在高压下浇注凝固。

真空凝壳熔炼浇注工艺不利于消除钛铸件的气体缺陷，这一方面是由于金属熔炼除气的能力较小；另一方面由于铸件在真空下凝固，促进了气泡的长大。目前，消除钛铸件气体缺陷最有效的办法有：铸型真空除气；保证铸型有良好的透气性，在浇注系统中设置合理的排气道；离心浇注，也可以采用压力铸造方法。

5.抗裂性

铸件在凝固冷却过程中由于收缩、相变与铸件不同部位的温差所引起的铸造应力，会导致裂纹产生。这种裂纹一般分为热裂纹与冷裂纹。热裂纹是在固相线附近形成，冷裂纹则在比结晶温度低得多的弹性变形区内形成。

钛及钛合金最突出的特点是具有较高的抗热裂的特性，甚至采用无退让性的石墨型芯时，也能获得无热裂的钛铸件。

表面裂纹是钛铸件最常见的缺陷，按其形态及形成条件，表面裂纹应属于冷裂纹。采用加工石墨型浇注钛铸件时，特别容易产生表面裂纹。为了消除表面裂纹，最好采用导热性低、热容小的铸型，如捣实型与陶瓷熔模型。提高铸型预热温度和降低金属浇注温度，也是减少裂纹的有效措施。

“α”脆性层的存在使钛合金铸件容易产生表面冷裂纹，为了消除冷裂纹产生与扩展的危险，钛铸件出厂前，必须进行吹砂、酸洗处理，彻底去除“α”脆性层。

6.铸造表面特性

铸造表面形成的特性取决于复制铸型表面轮廓的能力（粗糙度、机械黏砂），形成宏观平面度（冷隔、流痕）的倾向，以及与铸型起化学反应的倾向（铸疤、“α”脆性层、化学黏砂）。

铸造表面质量通过表面粗糙度（显微平面度）和宏观平面度来衡量。钛合金铸件另一重要的表面质量特性是“α”脆性层的厚度。