作为先进制造技术的重要组成部分，钛合金熔模精密铸造技术已经成为衡量一个国家铸造技术水平的关键指标。文中就钛合金熔模精密铸造技术中所涉及的模料、模样制备、脱蜡工艺、型壳用面层耐火材料及粘结剂等发展现状进行了较为详细的介绍，为我国钛合金熔模精密铸造技术的进一步发展提供有益参考。

钛合金因其自身卓越的综合性能，如低密度、高比强度、耐高温和抗腐蚀等，业已成为现代工业中不可或缺的先进结构材料。尤其近几十年来，伴随着宇航业和国防工业的迅猛发展，钛合金的使用量和应用水平都获得了显著提升。以民航客机为例，法国空客公司的A380的用钛量已由第四代A340时的6%猛增到10%；美国波音公司的B787也由B777的8%提高到15%。相较于国外，尽管我国在钛合金研发上的起步较晚，但却显示出强劲的发展势头。我国最新研制的C919大型飞机的用钛量已达到了9.3%，这已经超过了B777飞机的用钛量。然而，钛合金因其本身高的化学活性，小的热导率及较低的塑性，导致其在传统的加工方式下较难成形，尤其对于某些具有薄壁特征的复杂构件而言，这无疑限制了钛合金的进一步应用。为了打破这一困局，美国、德国和俄罗斯等世界几个工业发达国家从20世纪50年代开始就致力于钛合金铸造工艺的研究和开发，其中以近净成形工艺的熔模精密铸造技术所取得的成绩最为世人所瞩目。

熔模精密铸造也称失蜡法铸造，是一种采用可溶性一次模料制得型壳并浇注成件的方法。对比传统铸造工艺，熔模精密铸造具有如下优势：铸件表面粗糙度低（Ra=1.6～3.2μm）；尺寸精确；原材料利用率高（70%～90%）；几乎不受合金种类限制，并可铸造各种结构复杂的铸件等。尤其是20世纪70年代末，热等静压（HIP）技术被广泛应用于铸件的后处理，使得某些铸造缺陷得以被消除，从而有效改善了铸件的力学性能及稳定性。得益于以上的这些优势，钛合金的熔模精密铸造技术已经发展成为世界制造领域中不可取代的基础工艺之一。据不完全统计，目前航空工业中使用的98%以上铸造钛合金构件都是采用熔模精密铸造技术制备成形的。客观讲，钛合金熔模精密铸造技术在一定程度上是国家铸造技术水平是否先进的重要体现。

给出了熔模精密铸造技术的简要工艺流程图。如图所示，首先在组装好后的蜡模组的表面须涂覆一层由耐火粉和粘结剂组成的浆料，随后撒一层耐火砂料并进行干燥处理。重复多次以上的操作，直至形成具有一定厚度的型壳，然后在高温状态下对型壳脱蜡和焙烧，以使型壳获得一定强度和厚度。铸造时，将熔融的金属液浇注到型壳内，并在金属冷却后利用机械的方法将外部型壳去除。最后，对脱壳的钛合金铸件进行一定的清理打磨、检验以及必要的热处理。不难发现，熔模精密铸造的工艺流程较长且复杂，因而，迄今为止，世界上也仅只有较少的国家成熟地掌握熔模精密铸造技术。另外一方面，由于钛合金本身的化学活性较高，其在熔融状态下几乎可以与所有的造型材料发生反应，因而，相较于其他金属的熔模铸造，钛合金的熔模精密铸造工艺对技术的要求更为苛刻。鉴于以上特点，本文以模样及型壳制备两方面为切入点，介绍了钛合金熔模精密铸造技术的研究进展，以期望能够为我国钛合金铸造技术的进一步提升提供有益参考。

1模样制备及脱模技术

1.1模料的发展现状

广义上来讲，模样的制备是熔模精密铸造的第一个环节，因而，模样质量的优劣会直接关系到铸件的品质。生产实践表明，模样的质量主要受蜡料性能以及成形工艺影响。首先，就其性能而言，钛合金的熔模精密铸造在选用模料时通常会考虑如下几个方面：①合适的熔点、软化点及良好的流动性；②良好的涂挂性；③含有较少的灰分；④具有较小的线收缩率和体收缩率；⑤良好的化学稳定性；⑥良好的力学性能及合适的韧性；⑦无毒性。此外，从成本上考虑，模料还应具备可回收性和复用性。综合考虑以上特性，目前我国钛合金熔模精密铸造所选用的模料主要为蜡基模料和松香基模料。表1和表2分别列举了一些我国常用的蜡基和松香基模料的配方及基本性能。总体而言，我国熔模精铸用模料的品种和规格都较简单，生产化和专业化程度也相对较低。可喜的是，随着航空航天领域对大型薄壁复杂钛合金精铸件需求的日益增长，我国许多研究机构或个人已经开始着手于对先进模料的研究和开发，例如，乔海滨等探究了KC蜡在大型复杂钛合金熔模精密铸造中的应用，发现KC蜡的使用可显著提高某型号铸件的质量，这不仅降低了生产成本，而且也缩短了交货周期。而广西大学则自主研发了一种熔模精密铸造用模料。该模料要由石油蜡、树脂、有机高分子聚合物和木薯淀粉组成。经测试，该模料的抗弯强度为8～9 MPa，线收缩率为0.3%～0.4%，灰分小于0.02%。此外，李柏鸿则选取中石化生产的几种石蜡和微晶蜡为主要原料，制备了分别具有高强度、高硬度、高热稳定性、冷却收缩均匀、表面光泽度好的低温、中温和高温蜡，很好补充了我国精铸行业在该领域的空白。

相较于国内熔模铸造用模料的现状，国外模料商品化历史悠久，品种丰富且规格齐全，已形成专业化系列产品。以日本株式协会生产的K系列精铸蜡为例，表3给出了该系列模料的分类及性能。此外，在先进模料的开发与应用上，国外最近也取得了许多令人瞩目的成果。Muschio和Henry研发了一种含乙酸纤维素的熔模铸造蜡，其最大优势是燃烧时不产生致癌物质，且固化速度快，裂纹极少。Mcnulty等则以聚对苯二甲酸乙二醇酯作为填料，制备了熔模精密铸造用蜡料。工程实践表明，该蜡能够有效控制熔模铸造时蜡料的膨胀和收缩，且在脱模时几乎不残留灰分。

1.2模样制备的发展现状

模样制备主要有传统的模具压蜡和新兴的激光快速成形两种。模具压蜡采用液体蜡，通过射蜡机和压蜡模具压制成形。该工艺较适用于无复杂结构铸件的批量化和大型化生产，但其显著缺点是事先须制备生产用模具，因此无形中增加了生产周期和研发成本。值得注意的是，当采用蜡料进行钛合金精密铸造时，模料在压注过程中合理的压注工艺参数选择尤为重要。研究表明，压注温度、模具温度、注射压力和保温时间、模料的流量和流速等都会影响蜡模的成形质量。例如，周李明等采用自制的网格状射蜡模具系统性地揭示了射蜡温度、射蜡时间、射蜡压力对蜡模充型性能的影响，发现射蜡温度、射蜡压力以及射蜡时间等的变化都会直接影响蜡模的充型能力，其中射蜡温度的影响最为显著。阚精诚等的研究则表明，蜡模的体积收缩率、缩痕及变形量均会随着注蜡温度和速度的增加而明显增加；随着模具温度的升高，蜡模的收缩和变形倾向增大；而延长保压时间可以在一定程度上有利于降低蜡模部分缺陷的产生，如型腔内部收缩等。

相比于模具压蜡，新兴的激光快速成形则是一种采用数字化三维模型，利用激光成形机进行激光加热分层烧结成形的快速制模技术。因此，对比模具压蜡，该工艺具有材料利用率高、适用范围广、无需模具和支撑结构、可直接制造任意形状复杂的结构件等优点；但受限于激光快速成形的分布式生产特点，其并不适用于铸件的大批量、规模化生产，因此，激光快速成形尚不具备取代传统模具压蜡的条件。此外，激光快速成形技术通常选用的模料为高聚物，而铸造制壳又通常选用锆砂或石英砂，这导致在后续的脱蜡环节中极易因前者较大的热膨胀系数而导致型壳开裂，甚至无法完成脱蜡。由此可见，开发更多的熔模材料种类，进一步优化激光快速成形工艺仍然是未来重点研究的问题。