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王新英，谢成木

摘要：介绍了中国铸钛工业的发展概况，铸造钛合金的研究与发展，熔炼与铸造设备，铸造工艺的研究与发展，铸件的质量和应用，存在问题和今后的发展方向。

关键词：钛合金；铸造；熔炼

    居于铁和铝之后的“第三金属钛”，是航空航天飞行器中的理想结构材料。采用钛及其合金制件，可以大幅度减轻飞行器的重量，提高飞行器的飞行性能和运载能力。近几年来，钛和钛合金在民用工业中的应用已开始逐年增加，应用范围日益扩大。

    由于钛及其合金的加工难度大，初期应用的钛制品都是锻造加工件，加工余量大，金属利用率低，生产成本高，限制了它用量的增加和应用范围的扩大。为了改变这种状态，世界上几个工业发达国家从60 年代初开始研究钛和钛合金的铸造技术，尤其是钛和钛合金的熔模精铸技术。

    由于钛和钛合金的高化学活性，要与空气中的氢、氧、氮发生剧烈化学反应，要与常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造技术，特别是熔模精铸技术比铝和钢难度大得多，需借助高科技手段才能实现。

    我国是从60 年代中开始研究和发展钛和钛合金铸造技术的，最早开展这项研究工作的是北京航空材料研究院。随后宝鸡有色金属加工厂、沈阳铸造研究所、中科院沈阳金属研究所、洛阳船舶材料研究所，上海钢铁冶金研究所等相继开展了这方面的研究。

1　铸造钛合金的研究与发展

    铸钛发展初期，由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺，因此，先选用已有的一些变形中强钛合金，如：T i26A l24V ，T i25A l22. 5Sn 等作为铸造合金。这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和工业部门对铸造钛合金各方面性能要求的提高，以及铸件结构复杂程度的加大，过去那种以为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金元素的数量和加入量必须增加，随之而来的必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间、结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整，因而合金的组分和各组分的含量与变形钛合金就不可能完全一样了。

2　熔炼与铸造设备

    近几年来，我国的铸钛工业发展很快，目前全国的铸钛生产厂、所已达14 个，其中90% 以上厂、所熔炼的与铸造设备都采用真空自耗电极电弧凝壳加离心铸造。炉子的容量从15 kg 至500 kg。除少数几个炉子是从日本、美国和俄罗斯进口的外，其余都是我国自行设计制造的。国产的设备不仅价格只有进口的1/2～ 2/3，而且适合国情，好用, 备件充足，维修更换方便。1996 年哈尔滨工业大学从德国引进了一台5～30 kg 的冷壁坩埚熔炼炉，目前已经投入正常使用。

    经过比较长的研究和生产实践证明：钛和钛合金的熔炼与铸造目前还没有找到比较理想的设备，这给大型复杂薄壁钛合金精铸件的研究与发展带来了比较大的难度。

3　钛合金铸造工艺的研究与发展

    我国60 年代初开始研究和发展钛合金铸造工艺，与发达国家的发展过程相似, 一开始也是采用机加工石墨型，但由于机加工石墨型强度高，退让性不好，对液态钛要产生激冷，常使铸件表面产生裂纹和冷隔，生产成本高、生产周期长。为克服上述缺点, 随后研究了捣实石墨型。目前这两种铸型仍然被用作生产化工用泵和阀体。

    机加工石墨型和捣实石墨型只适于生产一些形状较简单、厚壁的钛和钛合金铸件，无法满足航空工业发展的需要。为此，从60 年代末开始，北京航空材料研究院开始研究钛和钛合金熔模精铸工艺，经过几年的试验研究，掌握了熔模石墨型壳系统,，用该型壳系统先后生产了发动机风扇叶片，增压器叶轮及其他各种复杂薄壁的小零件。

    根据当时国内的条件和发展需要，80 年代初，我国航空部门组织有关厂、所从德国（当时西德）引进了钛合金熔模精铸技术，经过消化吸收，掌握了全套技术, 并实现了全部原材料国产化。后来，经过自己几年的研究与创新，自行发展建立了几种新的钛合金熔模精铸氧化物陶瓷型壳系统，取代了80 年代引进的金属面层陶瓷型壳系统，生产了宇航用的各种大、中、小型钛合金精铸件和高尔夫球头。迄今为止，北京航空材料研究院已熟练掌握了世界各国在工业生产中曾经使用或正在使用的几种钛合金熔模精铸型壳系统: (1) 石墨型壳系统; (2) 金属面层陶瓷型壳系统; (3) 氧化物陶瓷型壳系统。

    1994 年开始，北京航空材料研究院对原有的科研厂房与设备进行了全面改造，建立了一条比较系统完整的从合金熔炼—制壳—铸造—后续精整—精加工—半成品的生产线，整个生产线厂房面积超过1 万m 2，实现了规模化生产。目前可月产高尔夫球头和其他铸件4～8 万件，产品销往日本、美国、加拿大、澳大利亚、东南亚等国和台湾地区，1996 年和1997 年的年产值均超过1亿元。

    1992 年以前，国内掌握钛合金熔模精铸技术并批量生产的只有北京航空材料研究院、贵州安吉铸造厂、上海钢铁冶金研究所等3 个厂、所。随着近几年钛合金熔模精铸“高尔夫球头热”的出现，大大促进了我国钛合金熔模精铸行业的发展。到目前为止，国内相继引进和自行发展了钛合金熔模精铸技术的，除前述3 个厂、所外，又增加了6 个厂、所。这些厂、所的生产能力，除北京航空材料研院外，其余厂、所都基本相近, 月产高尔夫球头和其他铸件的能力为(0. 5～ 1) 万件。

4　铸件的质量、性能和应用

     根据我国目前的工业发展水平，各个厂、所生产的钛及钛合金铸件有如下两大类，它们的用途不同，其质量和性能的要求也各不相同。

    我国铸钛工业经过30 多年的研究与发展, 不仅建立了一整套完整的适合中国国情的生产设备和工艺，而且还建立了一整套完整严格的质量保证体系和各种质量检验标准。北京航空材料研究院已于1996 年底通过了ISO 9001 和9002 系列的质量体系认证，可以按国际质量检验标准与要求，或按我国的质量检验标准和要求，生产各类铸件。1997 年我国铸钛工业的年产值超过1. 6 亿元，其中北京航空材料研究院的产值超过1. 3 亿元。

5　存在问题与发展方向

5. 1　存在问题

    90 年代初以来，中国的铸钛工业得到了迅速发展，铸钛厂、所的数量在世界居于首位，生产铸件的数量、品种、质量、年产值等逐年增长，应用范围不断扩大。虽然如此,，但在许多方面与工业发达国家相比还存在不少问题。

(1) 铸造合金品种少、牌号少。目前在工业中使用最多的仍然是中强合金T i26A l24V (ZTC4) 和工业纯钛，高强和高温合金以及其他特种用途的合金寥寥无几，甚至是空白。这使我国钛及钛合金铸件的使用范围受到了很大限制。

(2) 各厂、所的工艺和技术水平参差不齐，除个别单位与国际先进水平相近外，绝大部分厂、所仍然采用60～ 70 年代发展的铸型工艺，70% 的铸件采用机加工石墨型，20%～ 25% 铸件采用捣实石墨型生产，只有5%～ 10% 铸件是采用熔模精铸型壳系统生产的。机加工石墨型在国外已经很少采用，尤其是美国，80%～90% 的钛合金铸件是用熔模精铸技术生产的，有许多铸件由几个或几十个单个零件拼合为整体熔模精铸，如:航空发动机的整体精铸中介机匣等，而我国目前才开始开展这方面的研究工作。

(3) 熔炼设备100% 为真空自耗电极电弧凝壳炉，熔化金属液过热度不高，造成铸件表面易产生流痕、冷隔, 薄壁零件成形困难。

(4) 大多数铸件的冶金质量还不尽人意，铸件尺寸精度不高，表面粗糙度R a 大多数仅达到6. 3～ 12. 5Lm，铸件的力学性能有待改善和提高。

(5) 铸件应用范围小，我国生产的90% 以上的铸件被应用于石油化学工业，只有5%～ 10% 的铸件用于宇航工业和其他工业，致使我国铸钛工业的工艺和技术水平难以提高。

(6) 金属材料利用率低，管理水平不高，生产效率低，年人均产值仅为5～20 万元，最高的也只有30～40万元，而美国铸钛工业的人均年产值达80 多万元，是我国的4～16 倍。

5. 2　今后的研究与发展方向

    为改善我国铸钛工业生产的落后状态，提高我国铸钛工业的整体工艺和技术水平，今后应开展以下几方面的研究与发展工作。

(1) 开展新的铸造钛合金研究，增加铸造钛合金品种，尤其是高强和高温的铸造钛合金。

(2) 改进现有的造型工艺，研究新的粘结剂和造型材料，简化工艺，缩短生产周期, 降低生产成本。

(3) 研究和发展新的熔炼和铸造设备及其技术，提高金属液的过热度，改善和提高铸钛液的流动性和充型补缩能力，为研制大型复杂薄壁整体精铸件奠定有利条件。

(4) 采用各种有效措施，改善和提高钛和钛合金铸件的质量、尺寸精度，降低表面粗糙度，如采用快冷的热等静压处理设备和技术，使铸件中的缺陷清除，而性能又不降低。

(5) 研究和发展钛合金铸件的各种热处理工艺和热化学处理技术，以改善钛合金铸件的微观组织结构，提高铸件的力学性能。

(6) 改进工艺，开展钛及钛合金废料回收技术的研究，提高金属利用率，降低生产成本。

(7) 研究与发展大型复杂薄壁整体结构件精铸工艺，提高铸件刚度，减少机械加工量，提高金属利用率，降低生产成本。

(8) 开展铸件CAD 和模具CAM 以及铸造过程计算机模拟研究，优化铸件设计和铸造工艺，减少浪费, 缩短铸件研制周期，提高铸件质量。

(9) 进一步加强零件设计人员与铸件生产者的密切合作，以使设计出的零件结构更有利于铸造，提高铸件质量，降低生产成本。