大型復雜薄壁ZTi55A高溫鈦合金骨架熔模精密鑄造工藝及后處理研究，采用分段鑄造-整體成形方案，優化底注式澆注系統氧化鋯釔復合型殼與熱殼澆注工藝，開發專用酸洗與低應力補焊技術

隨著我國航空航天飛行器的不斷升級換代，飛 行器零部件的結構逐漸趨向復雜化，包括變壁厚設 計、半封閉或封閉內腔及非對稱結構。 這些結構變 化顯著提升了對零部件材料的要求， 特別是在輕 質、高強度、耐高溫、耐腐蝕等方面的性能需求日益 增加[1-4] 。 在此背景下，鈦合金精密鑄造技術因其能 夠滿足上述要求， 逐漸成為生產飛行器關鍵零部件 的主流工藝。例如，航空發動機機匣和殼體等零部件 已廣泛采用這一技術進行一體成型生產[5-6] 。 盡管該 技術應用廣泛， 然而我國關于鈦合金精密鑄造技術 的研究起步較晚，并受到國際技術封鎖的限制，導致 在鈦合金鑄件材料和工藝水平上與國際先進水平存在顯著差距。 為了縮小這一差距，并滿足國內市場 的需求，迫切需要依托自主創新，積極開展鈦合金 鑄件新材料和新工藝的研發。

目前，國內外眾多科研人員正在致力于攻克大 型復雜鈦合金鑄件的成型技術難題[7-10] 。 張銘杰[11] 和 朱小平[12] 通過優化澆注系統設計、鑄造模擬仿真、 3D 打印熔模、陶瓷型殼制備及熔煉澆注工藝，成功 制備了直徑超過 1 100 mm 的大型 TC4 鈦合金中介 機匣熔模精鑄件。 程亞珍等[13] 采用熔模精鑄技術生 產了一種薄壁復雜鈦合金鑄件， 并根據模擬仿真 結果優化了澆注系統，通過在易產生縮孔的位置添 加冒 口 ，成 功將 縮 孔引 導至 冒口 ，同時避 免 了 應 力 場的變化。 賈志偉等[14] 則采用分體熔模鑄造與真 空電子束焊接相結合的工藝，成功制造出長度超過 1 260 mm，具有復雜三通道狹長內腔結構的鈦合金 進氣道鑄件。 冉興等[1] 則通過合理的制模參數、蠟模 防變形措施和螺桿外貼式緊固矯形工藝，確保了某 大型鈦合金異形結構鑄件的尺寸精度。 這些研究表 明，通過精確的工藝設計與優化，可以有效解決大 型復雜鈦合金鑄件成型中的諸多技術挑戰。

隨著飛行器對耐高溫性能需求的不斷提升，生 產能夠耐受 550 ℃以上溫度的大型復雜鑄件的高 溫鈦合金變得至關重要。 目前，國內外已經發展了 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si 系耐高溫鈦合金， 如英國的 IMI 829 和 IMI 834、 俄羅斯的 BT25 和 BT36、 美國的 Ti-6242S 和 Ti1100，以及中國的 Ti55、Ti60 和 Ti65 等[15-17] 。 盡管這些高溫鈦合金具備優異的耐高溫性能， 但是基于它們的精密鑄件開發仍然較少，當前市場 上大多數鈦合金精密鑄件材料仍采用 TC4 鈦合金。 TC4 鈦合金的長時間使用溫度為 300～350 ℃[18-19] ， 其特點是合金組元少、流動性好且不易開裂。 相比 之下，高溫鈦合金由于合金組元多，導致流動性差， 開裂傾向嚴重。 因此，在開發鈦合金精密鑄件時，為 確保產品的完整成型、控制鑄件缺陷數量和尺寸公 差， 鑄件設計人員必須針對特定鈦合金的特性，制 定專門的鑄造工藝和后處理工藝[20] 。

本文圍繞大型、復雜、薄壁骨架鑄件的需求，結 合前期鑄件攻關研究積累， 采用熔模精密鑄造工藝 對 ZTi55A 大型骨架鑄件進行研制生產。 通過攻克 鑄造工藝和后處理工藝中的關鍵技術難題， 使得產 品的冶金質量和性能達到了型號設計的使用要求， 并成功完成了產品的研制， 為后續批量生產奠定了 堅實基礎。

1、實驗材料與方法

1.1鑄件模型和材料

圖1為大型骨架結構，其最大外廓尺寸約為1600mmx800mm,零件呈非回轉半敞開結構,壁厚小于3mm,是典型的大尺寸、復雜、薄壁鑄件。實驗選用的ZTi55A鑄造鈦合金是一種新型高溫鈦合金，其名義成分為(質量分數，%):5.5Al、3.5Sn、3.0Zr、0.7 Mo、0.3 Si、0.4 Nb、0.4 Ta,余量Ti。

1.2鑄造工藝設計

綜合考慮ZTi55A油箱框架鑄件的成形及補焊工藝,研制工作面臨多項技術難點,包括如何有效控制高溫鈦合金在成形過程中的裂紋傾向，如何確保鑄件在焊接后的整體強度，以及如何優化型殼力學性能以防止過高強度導致的鑄造缺陷。在鑄造工藝中，首先采用分段鑄造與焊接工藝進行研制工作，通過這一方法成功制備了合格的產品;在此基礎上,進一步開展整體鑄件的研制。

在工藝設計方面，針對鑄造過程中的裂紋形成問題，決定型殼的強度不宜過高，因此采用靜止澆注以減少應力集中。此外，為了確保鑄件能夠順利充型，減少對型殼的沖擊、并有利于順序凝固和排氣，從而保證鑄件的冶金質量，本項目采用了底注式澆注系統設計方案。具體的鑄造工藝要點包括以下幾個方面。

(1)蠟模的制備蠟模制備采用激光快速成形設備,無需模具即可快速成形蠟模,并且便于在蠟模上進行工藝修改和優化。為了確保蠟模的尺寸精度，專門設計并制造了防變形工裝和檢測工裝。在蠟模制備過程中，嚴格控制環境溫度并規范操作，確保在蠟模修整和組焊過程中不發生變形。

(2)制殼工藝選用具有良好綜合工藝性能的耐火材料ZM(Y2O3和ZrO2的復合相)和新型復合黏結劑ZYM,以特定配比(5:1)制備漿料。具體步驟包括:使用機械手自動線將配制好的漿料涂覆在經過清洗的蠟模表面，漿料涂覆后在(22±2)℃和40%~60%的濕度條件下自然干燥10~12h;然后進行1次200目鋁鋯粉的過渡層撒砂及干燥處理;接著重復8次200目鋁礬土粉的加固層撒砂和干燥操作，最后1層僅掛漿而不撒砂。完成干燥后，模殼經過脫蠟和高溫焙燒形成具有一定強度的型殼。制殼的完整工藝流程如圖2所示，型殼焙燒工藝曲線如圖3所示。

(3)澆注成形在澆注過程中，首先將型殼預熱至400~450℃，減少溫度梯度帶來的內應力。然后將預熱后的型殼快速轉移至熔煉爐內，進行熱殼澆注。此過程可以有效降低鑄件在凝固過程中的降溫速度，減輕收縮應力，進而減少裂紋的產生。同時，通過提升熔煉爐的熔煉電流，控制在45000~50000A,以增加金屬液的過熱度,進一步改善鑄件凝固質量。此外，對型殼采取保溫措施，進一步減緩鑄件的冷卻速度，有效降低裂紋的產生幾率。

(4)后處理首先采用吹砂、打磨等常規機械方法初步清除表面的沾污層，使用酸液質量百分配比HF(化學純,40%):HNO3(工業純,62%~67%):H2O=1:3:6的酸洗工藝,徹底去除殘留的沾污層。為了確保補焊的可靠性，在進行工藝試驗前對試片和焊絲進行了以下處理:①缺陷模擬。在試片上故意制造鑄造缺陷，以便模擬實際修復場景，并按照規范進行焊前處理。②焊絲處理。焊絲先進行酸洗處理，然后用鋁箔包裹烘干備用，以確保焊接時材料的清潔度和性能。③補焊試片處理。試片在吹砂和酸洗后備用，酸洗量單邊0.5mm。④補焊操作。在真空焊箱中進行補焊,焊接電流設計范圍為50~100A。⑤檢測與分析。補焊后，使用熒光檢測和X光檢測對試片進行全面分析，以評估焊接質量。

2、實驗結果及討論

2.1分段鑄件鑄造成形

根據大型骨架結構的特點，將產品分為前、中、后3段進行鑄造,如圖4a~c所示。此分段形式的設計使焊縫區域厚度較大，且厚度差較小，便于保證電子束焊接的質量和一致性。如圖4d~f所示，為了實現平穩有序的充型并提高鑄件整體的成形致密性,針對易產生孔洞類缺陷的熱節部位,對澆注系統結構進行了優化，增加了局部輔助澆冒系統。該優化措施使金屬液在充型過程中能夠更好地填充和補縮熱節部位，從而有效減少或消除內部的縮孔和縮松缺陷。

如圖 5 所示，采用激光快速成形設備及專門設計制造的蠟模防變形工裝和檢測工裝進行蠟模的制備和修整。 修整后的蠟模通過激光三維掃描檢測，尺寸精度滿足工藝設計要求，具體精度達到±0.3mm。

為防止脫蠟過程中的殘渣掉入型腔，在脫蠟前對脫蠟孔、排氣孔等周邊的型殼進行打磨,使其光順平整，確保型腔無外來物污染。脫蠟和焙燒過程中，使用金屬蓋板封堵朝上的排氣孔及澆口，防止外來夾雜物進入型腔。同時，在模組局部低點位置增設脫蠟口,使局部蠟液能夠快速流出,防止蠟液長時間接觸型殼造成局部破壞。澆注前，使用高清工業內窺鏡對型殼內部進行檢查，對發現的夾雜物等采用清洗方式進行清理，確保型殼干凈無污染。澆注前的模殼如圖6a~c所示,澆注完成后的清殼和吹砂過程如圖6d~f所示。鑄件成形完整，外觀質量良好，表面呈金屬光澤,無反應粘砂現象,且外觀無目視可見的裂紋。

使用表1所列設備對分段鑄件進行化學成分檢測后,獲得實測結果和標準要求對比數據,如表2所示。可以看出，經過熔模精密鑄造澆注出來的ZTi55A分段骨架鑄件的表面及內部質量均符合GJB2896A-2007的I類B級要求,各元素含量均在標準范圍內。

表1化學成分檢測設備

為有效控制局部應力集中，減少缺陷數量，采取了以下工藝優化措施:①增大薄厚轉接部位的過渡角R。為了減少結構應力集中區的裂紋產生幾率,在應力集中的薄厚轉接部位增大過渡角R，后續打磨至鑄件設計要求的表面光滑狀態，進一步減少裂紋出現。②鑄平尺寸較小的凹槽。為防止因型殼干燥不徹底導致的強度過低問題，澆注時產生夾雜類缺陷，將尺寸較小的凹槽在鑄造過程中鑄平，后續通過機械加工來實現鑄件的凹槽結構，以保證凹槽的精度和鑄件的整體質量。③增大冒口尺寸。為了盡可能將縮孔缺陷提出鑄件本體，增大冒口尺寸，并在熱等靜壓處理之后去除冒口，確保鑄件本體的致密性和機械性能。

表2 ZTi55A標準合金成分及分段骨架鑄件成分

2.2整體鑄件鑄造成形

針對ZTi55A材料在鑄造過程中易產生裂紋的特點，結合分段鑄件在工藝設計和生產過程中的經驗，發現以下問題：在薄厚轉接部位，由于應力集中，容易產生裂紋缺陷；在尺寸較小的凹槽區域，由于型殼干燥不徹底，導致強度不足，澆注時容易產生夾雜類缺陷。此外，在冒口尺寸不足的情況下，鑄件本體易出現縮孔缺陷。

為有效控制局部應力集中，減少缺陷數量，采取了以下工藝優化措施： ①增大薄厚轉接部位的過渡角 R。 為了減少結構應力集中區的裂紋產生幾率，在應力集中的薄厚轉接部位增大過渡角 R， 后續打磨至鑄件設計要求的表面光滑狀態， 進一步減少裂紋出現。②鑄平尺寸較小的凹槽。為防止因型殼干燥不徹底導致的強度過低問題，澆注時產生夾雜類缺陷，將尺寸較小的凹槽在鑄造過程中鑄平， 后續通過機械加工來實現鑄件的凹槽結構， 以保證凹槽的精度和鑄件的整體質量。③增大冒口尺寸。為了盡可能將縮孔缺陷提出鑄件本體，增大冒口尺寸，并在熱等靜壓處理之后去除冒口， 確保鑄件本體的致密性和機械性能。

根據鑄件的結構特征，在相應位置添加筋條或筋板,通過增加多處工藝加強筋的方式,有效控制易變形部分,形成更為穩定的鑄件結構,最大限度地減少鑄件變形。同時,為了滿足鑄件充型平穩、型殼沖擊小、順序凝固和良好排氣的要求,設計了合適的澆注系統。由于整體骨架鑄件為非回轉結構,選用底注式澆注系統,這有助于保證鑄件的冶金質量。具體澆注工藝方案如圖7a所示。

使用蠟模制備設備分多段制備蠟模，如圖7b所示。多段蠟模需要在專用的蠟模拼接工裝上進行整體拼接，拼接處使用黏結蠟進行黏接，以保證蠟模的整體強度。拼接后的整體蠟模按照設計的澆注系統組焊在專用澆道上。為確保整個澆注系統在組模和制殼過程中不出現變形、開裂或破損,設計加固工裝。加固工裝采用帶有翻轉功能的金屬框架結構,便于操作和使用,確保系統的堅固性和耐用性。

通過檢測,整體骨架鑄件的表面及內部質量均符合GJB2896A-2007的I類B級要求。如表3所示，經過熔模精密鑄造澆注出來的ZTi55A整體鑄件各元素含量均在標準范圍內。

表3 ZTi55A標準合金成分及整體骨架鑄件成分

2.3后處理工藝研究

2.3.1鑄件酸洗工藝

型腔中的多余物是導致鑄件夾雜類缺陷的主要原因。為避免在型殼脫蠟和焙燒過程中外來夾雜物的混入，以及型腔表面涂層的脫落形成夾雜源，采取焙燒后清洗型殼的措施,確保型殼具有良好的性能和質量。制備完成的整體鑄件型殼如圖8a所示。

圖9所示為厚度5、10、15和20mm的4種ZTi55A試塊，切割橫截面進行α脆性沾污層厚度檢測。通過AXIO Vert.A1型金相顯微鏡分析發現，試塊厚度越大，其對應的α脆性沾污層越厚。

與分段骨架的澆注過程相同，整體大型骨架采用熱殼澆注工藝，增加鑄件在爐內的冷卻時間，降低鑄件的凝固冷卻速率，從而減少鑄件在凝固過程中產生裂紋的傾向。澆注完成后，經過清殼、切割澆注系統,以及吹砂打磨處理,最終的整體骨架鑄件如圖8b和c所示。鑄件充型完整,無欠鑄或多肉等明顯的鑄造缺陷。

根據酸洗的要求和測試結果,確定了鑄件的酸洗時間:對于ZTi55A鈦合金,基于上述實驗結果α脆性沾污層厚度取0.4mm(表示典型的脆性沾污層厚度)。根據酸洗速率塊測定化學除層的速率為0.014mm/min,獲得最佳酸洗時間取30min,即可完全去除鑄件表面的α脆性沾污層。

2.3.2補焊工藝

為實現補焊無開裂現象，最重要的就是要降低焊接應力，使其低于母材抗拉強度。考慮到采用焊前弧光局部預熱、焊后緩慢收弧的焊接方式，降低焊后冷卻速率，從而降低焊接應力及應變速率。

為了排除多次補焊對焊點周圍開裂的影響，在骨架前段試驗件上應力較為集中的區域選取數點進行缺陷模擬，并對缺陷進行補焊工藝研究。首先，將焊點及周圍清理干凈，對鑄件進行預熱。其次，補焊前使用焊槍弧光對焊點周圍進行局部預熱，預熱范圍為R50mm。補焊后，圍繞焊點緩慢收弧，減少焊接融合區與母材間的溫度梯度以達到減少焊接應力和殘余應力的效果。最后，鑄件在真空焊箱中充分冷卻后，采用超聲波振動方式對鑄件進行去應力處理。經過不斷改進優化，確認了補焊工藝方法，并將同一位置修復前、修復后的情況進行了對比，結果如圖10所示。可見，采用這種焊接工藝方法可以有效消除焊點周圍裂紋的產生。

針對ZTi55A鑄件補焊后焊點周圍開裂情況，經過試驗已取得突破性進展。研究出適用于ZTi55A鑄件的補焊工藝方法,并在前段試驗件中得到可行性驗證。補焊工藝方法概括如下。

(1)鑄件焊前預熱鑄件進入焊箱前先進行整體預熱，預熱溫度范圍為350~400℃;進入焊箱后，再對焊點及其周圍區域進行局部預熱，預熱溫度范圍為600~800℃,預熱范圍為焊點面積的5倍以上。

(2)焊接過程控制采用小電流慢速焊接,電流范圍設定為50~100A,焊接速度為2~3mm/s。

(3)緩慢冷卻焊接后采用局部保溫方式，降低焊接區的冷卻速度，減小收縮應力。

(4)去應力處理補焊鑄件冷卻后立即采用超聲去應力方式降低焊接應力。

(5)去應力退火補焊鑄件需12h內進行真空狀態下去應力退火。

(6)清潔處理焊絲和補焊區域必須在焊前短時間內重新清理干凈。

(7)固定設備與工藝保持固定的焊接設備和焊接人員，確保工藝參數和條件的一致性。

3、結論

(1)蠟模與型殼制備通過改進蠟模和型殼的制備工藝,確保了大型鈦合金鑄件的完整充型,避免了由于蠟模變形和型殼強度不足而導致的鑄造缺陷。這一成果為復雜結構鈦合金鑄件的制造提供了工藝保障。

(2)熔煉與澆注工藝優化了ZTi55A合金的熔煉和澆注工藝,通過控制澆注溫度和速度,有效減少了鑄件中的縮孔、縮松等內部缺陷。研究結果表明，合適的底注式澆注系統有助于實現順序凝固，從而提高了鑄件的冶金質量。

(3)酸洗工藝針對鑄件表面和內部缺陷,制定了適用于ZTi55A鑄件的酸洗工藝。理論上，通過控制酸洗時間和酸洗液濃度，能夠有效去除鑄件表面的a脆性沾污層，保持鑄件的表面質量和力學性能。

(4)補焊工藝開發了適合ZTi55A鑄件的補焊工藝,包括焊前預熱、慢速焊接、焊后緩慢冷卻和超聲去應力處理。這些工藝的優化有效降低了焊接應力和殘余應力，避免了焊接過程中的裂紋產生，確保了鑄件的完整性和可靠性。

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（注，原文標題：ZTi55A鈦合金大型骨架熔模鑄造及后處理工藝研究_劉云超）