一、造型材料和造型工艺

（一）造型材料

一般来讲，铸钛的造型材料应具有下列特性与要求

① 高的化学惰性。

② 高的耐火度和抗热冲击性能。

③无反应够高的强度。

④ 材料均匀细致。

⑤ 对水分、气体吸附能力小

⑥ 导热能力低。

⑦ 价格低廉。

⑧ 无毒。

特别值得提出的是较高的耐火度，但综合来讲目前尚未找到完全理想的材料。

（二）造型工艺

目前，钛及钛合金铸件的生产工艺有硬模铸造、石墨捣实型、熔模型和消失模型等

1.硬模铸造

硬模铸造包括石墨加工型铸造和金属型铸造:

（1）石墨加工型

石墨加工型强度高、表面光洁、尺寸精确，对熔融钛合金具有较高的稳定性，可以浇注出表面良好和精度较高的钛合金铸件。石墨加工型的使用寿命取决于铸件的复杂程度和铸型设计的合理性，一般可使用3~10次，有些组合式石墨加工型寿命可达 30~40次。石墨加

工型不仅适用于静止浇注，也适用于离心浇注。

石墨导热快，对钛合金熔液具有良好的润湿性能，因此所浇铸件容易产生流痕和冷隔缺陷。由于钛合金铸件有较厚的渗氧、渗碳α脆性层（约0.3mm），在热应力作用下，常常引发裂纹。薄壁铸件更倾向于产生表面裂纹。因此，只有厚壁（厚度大于10mm）的钛合金铸件才适合采用石墨加工型工艺。

为了避免铸件产生气孔缺陷，石墨加工型浇注前必须进行真空处理，以去除石墨表面吸附的气体。

（2）金属型

金属型通常用铸铁和铸钢制造金属型，并在金属型的内腔用等离子束喷涂一层涂层，延长使用寿命。

金属型铸造工艺简单，铸件尺寸比较精确，对某些小型铸件生产成本低廉。其缺点是铸件表面常出现冷隔、流痕，铸件热节部位容易产生熔焊区，铸件表面存在α脆性层。

2.石墨捣实型

石墨捣实型是广泛使用的造型方法，它与普通砂型铸造的工艺方法相同，只是采用高纯人造石墨粉做型砂。在化学工业中使用的大部分铸件，尤其是大铸件，都是用石墨捣实型浇注出来的。

3.熔模精密铸造

熔模精密铸造也称失蜡铸造，是指在模型（通常由蜡料或塑料制成）表面涂上数层耐火材料，经过硬化干燥后，将其中的熔模熔去而制成整体型壳，再经高温焙烧，最后进行浇注而得到铸件的一种铸造方法。同其他铸造方法和零件成形方法相比较，熔模精密铸造有以下基本特点：铸件尺寸精确、表面光洁；可铸造形状复杂的铸件；可以提高金属材料的利用率；生产灵活性高、适应性强。

按面层使用的耐火填料和撒砂以及黏结剂不同，钛和钛合金熔模精密铸造的铸型系统有：熔模石墨型壳、钨面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳等。其中工艺最成熟并且被广泛使用的铸型系统是氧化物陶瓷型壳。

钛及钛合金熔模精密铸造工艺的流程主要为：按图纸设计模具，用模具做出蜡模，把单个蜡模组焊在浇道蜡模上形成蜡模树（组），对蜡模组清洗，在蜡模组上涂挂耐火浆料，撒耐火砂，干燥硬化。反复挂浆撒砂数次，达到一定的厚度和强度，再到脱蜡炉内熔化掉蜡模形成型壳，再高温焙烧型壳，经过焙烧处理的型壳用来浇注铸件，浇注完后打破型壳，完成铸件毛坯的铸造程序。

（1）石墨熔模铸造工艺

石墨熔模铸造工艺，采用低温或中温模料制作熔模，用石墨粉做耐火材料，与碳质黏结剂一起配制涂料，制壳后浇注铸件。石墨型壳工艺简单、成本低廉，对熔融铸件具有一定的稳定性，适合于浇注各种优质的中小型钛合金精密铸件。

制壳涂料由石墨粉、黏结剂、表面活性剂和溶剂配制而成，常用的黏结剂有合成树脂和胶体石墨。石墨粉填料粒度一般小于 200目，最好为 300目，石墨粉使用前必须进行烘烤（150~180℃）以除去所吸附的水气。

石墨熔模铸造的模组一般都不太大，通常采用手工涂料。用于撒砂的石墨砂应经过烘烤除潮处理。面层撒砂较细，可保证型壳表面质量，背层较粗，以提高型壳透气性与强度。石墨模组一般涂挂7~9层，型壳厚度可达到9~12mm。需要采用离心浇注的铸型，最好涂挂10~12层。组模涂料撒砂工序全部结束后，最后需要热风干爆24~32，使型壳充分固化。

采用低温模料的组模，可在温水中脱蜡。对于中温模料，则需电热或蒸汽脱蜡。

由于石墨在高于 400℃时就开始氧化，因此，石墨型壳需要在还原性气氛下焙烧，或采用石墨粉保护焙烧。

（2）钨面层熔模铸型工艺

钨面层熔模铸造是一种陶瓷型壳铸造工艺，主要用于生产各种大型复杂的铸件。该工艺

重要特点是在陶瓷型壳上，制备一个对熔融钛稳定的高熔点金属面层。

钨面层工艺用的熔模一般都在大型液压压蜡机上制备，这是因为使用这种专用模料，需要具有较大注射压力与较精确的蜡温控制，才能制备出合格的熔模。

在压型设计制造合理、模料质量合格的情况下，决定熔模质量的主要参数为：压型温度、压蜡温度、注射压力、合型压力、注射速度、保压时间等，这些参数应根据熔模体积、壁厚和复杂程度，经计算和试验来确定。

熔模常见的缺陷有：缩陷、表面流痕、皮下气泡、表面沾污、填充不足、轮廓不清晰、尺寸不合格、形状不合格。熔模除了明显不合格需要立即报废外，一般的缺陷可以进行修补。钨面层熔模铸造工艺，对熔模质量有严格的要求，因此熔模组装前的检验是非常重要的。

按照压铸系统设计与工艺要求，熔模可单件或多件与浇冒口组焊成模组。一般可采用电热焊刀手工焊接，为了提高焊接强度，可应用专用的焊接蜡。组合好的模组必须表面清洁，不允许有灰尘、碳粒沾污；焊缝平整，不允许有气孔、冷接；模组紧凑牢固，能经受住手工涂料或机械涂料的工作。

钨面层型壳工艺的关键部分是面层涂料的配制，涂料主要由黏结剂二醋酸锆、填料钨粉及钨、钼的化合物的阻化剂组成。

钛合金铸造用型壳一般只涂挂两层钨面层（度约为0.5~0.7mm），组模面层充分干燥后，可涂挂普通的背层陶瓷材料。背层一般由廉价的高岭土耐火材料与硅酸乙酯或硅溶胶黏结剂组成。背层通常涂挂9~10层，型壳厚度可达到12~15mm。由于面层涂料是水溶性的，涂挂好的组模经一昼夜的干燥固化后，可采用三氯乙烯落气脱蜡。脱蜡后的型壳经低混预焙烧后，在还原气氛中进行高温焙烧。

（2）氧化物陶瓷熔模铸型工艺

目前，氧化物陶瓷熔模铸型工艺采用的面层耐火材料主要为氧化钇（Y₂O₃）和氧化锆，黏结剂为钇溶胶或硅溶胶。其中氧化锆主要用于民品铸件生产，氧化钇主要用于航空铸件的生产。

氧化物熔模铸造工艺使用中温模料，模料中允许碳质灰分，因此灰分允许量可稍高于钨面层工艺指标。此外，模料中可以添加高分子的填料，以降低其收缩率。因此浇注件能获得较高的精度。

模组的面层涂挂是影响铸件质量的关键工序，应当注意的是：面层黏结剂为水溶性的其酸碱度对面层涂料存在较大的影响。面层干燥时间也应严格控制。

氧化物陶瓷型壳的脱蜡可以用高压釜蒸气脱蜡，也可以用电热脱蜡。脱蜡后的型壳，可在电炉内进行大气焙烧。

氧化物陶瓷型壳的浇注可根据需要选择重力浇注或离心浇注。浇注前如果预热温度超过850℃，在浇注过程中液态钛将与型壳发生激烈的化学反应，产生α污染层，污染层可以用酸洗的方法去除。

4.消失模（EPS泡沫型）铸造工艺

钛及钛合金消失模型壳铸造是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模型黏结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘于后，高温焙烧除去泡沫模型，然后将壳型埋在干砂中振动紧实，在真空下浇注，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。与熔模铸造相比，EPS消失模型壳铸造技术解决了熔模铸造制作金属模具周期长、成本高和蜡模对温度敏感易变形的问题，可生产蜡模不能生产的大型结构件。

消失模模型的制造方法很多，主要根据铸件的形状（结构）和生产批量来决定。通常分为机加工成形和发泡成形两大类。机加工成形EPS消失模型壳铸造技术对于单件或小批量的结构件，尤其是一些叶轮等曲面结构的铸件具有成本低、铸造精度高、尺寸一致性好等优点，完全能满足日益增长的大型、精密、整体铸造的要求。

消失模所涂浆料与其他熔模铸造的浆料有着基本相同的要求:主要使用有足够惰性的耐火材料，防止高温钛液与型壳发生化学反应。型壳达到一定强度后既可以焙烧去除壳型中的EPS模型。烧好的型壳冷却后装人砂箱，并且通过振动使砂箱中的砂子更加紧密。随后把装好的砂箱推人真空电弧凝壳炉内进行浇注。由于耐火材料的保温效果比较好，浇注好的铸件需要很长的冷却时间。冷却好的铸件从砂箱中取出进行清砂。

二、铸造用钛金属液的熔炼方法

1.自耗电极真空凝壳炉熔炼

浇注钛合金件时常采用自耗电极真空凝壳炉进行熔炼，由于熔炼时在水冷铜坩埚内形成了钛凝固层，所以称为真空凝壳熔炼。凝壳的存在使钛液不直接与水冷铜坩埚接触，可完全避免来自坩埚的污染。

真空自耗电极凝壳电弧熔炼虽然存在对原料的形状有要求、废料难以回收和受熔炼速度制约难以克服的缺点，但具有结构简单、维持费用低、易大型化等优点，因此，在钛铸造业中是使用最广泛的熔炼方法。

2.感应加热熔炼

感应加热熔炼是利用交变电磁场力使金属熔融悬浮，且不与埚接触的一种熔炼方法。该方法可把废料或海绵钛直接作为熔炼原料，原料成本低，搅拌能力强，合金化容易，成分、温度均匀，但是设备费用高，生产效率低。