一、選題背景
為滿足航空航天飛行器升級換代對高性能金屬結(jié)構(gòu)件的需求，零部件生產(chǎn)技術(shù)和材料不斷進步革新。鈦合金具備密度低、比強度高、耐腐蝕強和耐高溫性等特性，被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，且使用量不斷增長。然而，鈦合金零件生產(chǎn)過程中存在切削力大、易磨損等問題，導致加工效率低、成本高，限制了鈦合金零部件在低空飛行器、兵器船舶領(lǐng)域推廣應用。熔模精密鑄造技術(shù)是解決大尺寸、薄壁、復雜結(jié)構(gòu)鈦合金構(gòu)件一體化成型難題、降低制造成本的有效手段。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，當前航空航天工業(yè)中90%以上的鈦合金鑄件生產(chǎn)均采用熔模精密鑄造技術(shù)。當前，我國航空航天產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，國產(chǎn)化在近年錯綜復雜的國際局勢下加速推進，預計未來國內(nèi)航空航天產(chǎn)業(yè)精密鑄造市場總需求量將突破千億。
二、研究方法
本文綜述了近年來鈦合金精密鑄造在航空航天產(chǎn)業(yè)中的應用現(xiàn)狀，回顧了國內(nèi)外鈦合金精密鑄造工藝發(fā)展、材料開發(fā)和產(chǎn)品應用，在鑄造工藝方面重點關(guān)注了制模、制殼、熔煉澆注和后處理，在材料開發(fā)方面主要涉及常規(guī)鑄造TC4、高溫近α鈦合金和鈦鋁合金的鑄造性能和力學性能，在鈦合金精密鑄件方面主要介紹了航空航天發(fā)動機結(jié)構(gòu)件，最后總結(jié)了目前存在的問題并提出了建立材料數(shù)據(jù)庫、降低生產(chǎn)成本、發(fā)展鑄造模擬軟件等展望。
三、研究內(nèi)容
（1）鈦合金精密鑄造工藝發(fā)展
鈦合金熔模精鑄件的生產(chǎn)流程主要有蠟模制作-模殼制作-熔煉澆注-后處理。首先，將計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計的鑄件模型用模具（或增材制造設(shè)備）制作出蠟模，在其表面包裹多層耐火材料形成模殼，加熱模殼使蠟融化流出。然后，通過高溫使模殼燒結(jié)陶瓷化后，將熔化的鈦合金液體澆注到模殼內(nèi)，待金屬液凝固并冷卻后破壞模殼，取出鑄件及澆注系統(tǒng)。最后，對鑄件及澆注系統(tǒng)進行切割澆冒系統(tǒng)、吹砂打磨、檢測、酸洗、修補等后處理工藝后，獲得最終鑄件產(chǎn)品。
圖1鈦合金熔模精密鑄造流程圖
（2）精密鑄造鈦合金材料發(fā)展
鈦合金精密鑄造技術(shù)的發(fā)展與鑄造鈦合金材料的發(fā)展是相輔相成的。為充分發(fā)揮鈦合金材料的特性，適配合金的鑄造性能，需要開發(fā)針對性的鑄造技術(shù)并不斷改進。此外，為降低鑄造難度、控制成本，需要調(diào)整鈦合金成分，在最大程度保證使用性能不下降的前提下，使合金成分更有利于鑄造成形和后處理。在這種螺旋上升的態(tài)勢下，鈦合金精密鑄造技術(shù)和鑄造鈦合金材料都獲得了很大進步，常規(guī)鑄造鈦合金的鑄造技術(shù)不斷完善，新型高性能鑄造鈦合金材料也不斷被開發(fā)出來。國內(nèi)外應用范圍最廣、使用量最大的α+β型鈦合金是ZTC4；近α鈦合金中，ZTA15合金的使用量最多。國內(nèi)外耐550℃以上高溫鈦合金主要有Ti1100、IMI834、Ti6242、ZTi55、ZTi60和ZTi65。TiAl合金密度比常規(guī)鈦合金更小，還具有優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化性能，可替代鎳基高溫合金在航空發(fā)動機600~1000℃高溫區(qū)服役。Ti2AlNb合金比大多數(shù)TiAl合金高溫強塑性和抗蠕變性能更好，其使用溫度高達800℃，具有很大的替代鑄造鎳基高溫合金的潛力。
（3）鈦合金精鑄件在航空航天飛行器上的應用現(xiàn)狀
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鈦合金精鑄件已經(jīng)廣泛應用于航空航天飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，尤其是整體精鑄件的使用為飛行器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升、延長機體壽命、整體減重、減少裝配難度、降低制造成本做出了重要貢獻。常規(guī)鈦合金精密鑄件在航空飛行器上的應用最為突出。北京航材院已成為空客CFM 56-7發(fā)動機支板的主要供應商，并成為LEAP-1A、1B、1C發(fā)動機的鈦合金鑄件供應商。中科院金屬所、北京航材院、西北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學研制了TiAl合金擴壓器、葉片和增壓器渦輪等鑄件。中科院金屬所生產(chǎn)的45XD合金低壓渦輪葉片已完成英國羅羅公司的Trent XWB大推力大涵道比發(fā)動機考核驗證。鈦合金鑄件在導彈上使用比較普遍，有尾翼、彈頭殼體、火箭殼體及連接座等。航天飛行器和人造衛(wèi)星使用的鈦合金鑄件主要是一些支座，板架與接頭等結(jié)構(gòu)件、人造衛(wèi)星上照相機框架等。
圖2航空航天飛行器用典型鈦合金精密鑄件
四、研究結(jié)論
近年來，鈦合金精密鑄造技術(shù)、材料和產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域的應用取得很大進展，我國在鑄造鈦合金材料開發(fā)上已走在世界前列，鈦合金精密鑄造技術(shù)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，并大批量應用于航空航天飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上。但是我國鈦合金精密鑄造技術(shù)企業(yè)與美國先進精密鑄造企業(yè)相比仍有一定差距，鈦合金精鑄件應用方面也存在一些亟待解決的難題：
?。?）新型鑄造鈦合金推廣應用遲緩；
（2）鈦合金精密鑄造生產(chǎn)成本下降難；
?。?）鈦合金精密鑄造模擬仿真技術(shù)落后；
?。?）鈦合金增材制造崛起的強力競爭。為解決這些難題，提升鈦合金精密鑄造的應用水平，我們可以從如下幾個方面進行改進：
?。?）建立新型鑄造鈦合金成分-鑄造性能-力學性能數(shù)據(jù)庫；
?。?）利用數(shù)字孿生技術(shù)降低生產(chǎn)成本；
?。?）大力發(fā)展國產(chǎn)鑄造模擬軟件。
作者介紹
張鵬飛
研究員，主要從事航空航天材料先進制造技術(shù)研究。
李金山
教授，博士生導師，研究方向為先進金屬結(jié)構(gòu)材料及其精確熱成形技術(shù)。
團隊介紹
李金山，西北工業(yè)大學教授、博導，凝固技術(shù)國家全國實驗室主任，萬人計劃領(lǐng)軍人才，國務院政府特殊津貼專家。兼任中國材料研究學會凝固科學與技術(shù)分會理事長、中國機械工程學會鑄造分會副理事長、中國航空學會材料工程分會副主任委員、中國兵裝學會隱身與防護材料分會副主任委員。主要從事先進金屬結(jié)構(gòu)材料及其精確成形技術(shù)研究工作。發(fā)表學術(shù)論文300余篇，合著專著3部，獲授權(quán)國家發(fā)明專利100余項。獲國家級教學成果獎一等獎1項，二等獎1項；國防科技一等獎1項、二等獎1項，其他省部級科技獎一等獎3項，二等獎2項；中國專利優(yōu)秀獎1項。
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