消失铸造和熔模铸造的区别：钛合金铸造新技术探索之消失模覆壳铸造技术

消失铸造和熔模铸造的区别：钛合金铸造新技术探索之消失模覆壳铸造技术消失模模型制备方法可分为加工成形和发泡成形两类，可根据铸件形状结构、生产批量及质量要求灵活选用。加工成形是将泡沫坯料，采用数控机床加工方式制备，表面粗糙度较大（见图2），适合于结构简单、生产数量小的中大型铸件；发泡型是先制备金属模具，然后在金属模具内部发泡制备模型，模型表面光滑细腻（见图3），适用于具有一定批量，精度和粗糙度要求比较高的铸件。当铸件结构复杂，其模型无法一次加工成形时，需要对模型进行结构设计，分片成型，并选择合适的粘结剂进行装配，应严格管控粘结剂用量及装配质量，以减少焙烧后残留物，避免由于装配结合不良，导致产生铸件凹痕、毛刺缺陷。1.2泡沫模型制备工艺1.1消失模覆壳铸造工艺流程钛合金化学性质活泼，需要真空环境下熔炼及浇注，因此传统消失模铸造工艺不能直接应用于钛铸件的生产。消失模覆壳铸造技术，充分发挥消失模铸造优势，同时与熔模铸造技术相结合，使用EPS泡沫制备模样后，利用其模

导读：国内钛及钛合金铸件主要采用石墨型和熔模铸造两种工艺方法生产，但由于技术局限性，实际生产过程中并不能完全满足客户对产品高质量、低成本、短交期的发展需求，因此非常有必要推进铸造新技术的研发及应用，与现有技术形成互补。消失模铸造具有其他铸造方法所不具备的优势，在钢铁、铝等金属铸造中已获得成熟广泛应用，但在钛合金中应用报道较少。本课题主要介绍了钛合金EPS消失模覆壳铸造技术优势和应用前景，以期为消失模铸造钛合金的应用提供参考。

2017年我国钛铸件产量为417 t，受军工及高端民品等钛铸件强劲需求拉动，2018年钛铸件产量达到708 t[3]，同比增长69.8%，2019年中国钛铸件实际产量或可达1000 t，市场规模约10~20亿元。

钛的高化学活性，使其浇注时与石英砂、刚玉等常规铸型材料均发生激烈化学反应，产生铸造缺陷，只能选择价格昂贵的石墨、氧化锆、氧化钇等作为与钛液接触的面层铸型材料，并逐渐发展形成目前工厂批量生产应用的机加工石墨型和熔模铸造两种主流工艺。但受钛原材料价格高，钛合金铸造难度大、生产流程长、装备及工艺复杂、铸型材料昂贵等因素影响，钛铸件价格要比铸钢件高10~50倍或以上，限制了钛铸件产品进一步推广应用，导致市场规模仍然较小。此外，机加工石墨型铸造存在充型能力差，表面留痕、冷隔缺陷严重问题；同时，熔模铸造生产大规格钛铸件时需要昂贵的大型射蜡机及配套生产线，设备及模具投资大，产能利用率低，生产周期长。

1合金消失模覆壳铸造技术生产工艺

1.1消失模覆壳铸造工艺流程

钛合金化学性质活泼，需要真空环境下熔炼及浇注，因此传统消失模铸造工艺不能直接应用于钛铸件的生产。消失模覆壳铸造技术，充分发挥消失模铸造优势，同时与熔模铸造技术相结合，使用EPS泡沫制备模样后，利用其模型制备氧化陶瓷型壳，再进行真空浇注生产钛铸件，可获得接近于钛合金熔模铸造的精度和表面质量。其主要工序包括“泡沫模型制备→涂料制备→型壳制备→型壳焙烧→真空浇注”，具体工艺流程见图1。

图1 钛合金消失模覆壳铸造工艺流程图

1.2泡沫模型制备工艺

消失模模型制备方法可分为加工成形和发泡成形两类，可根据铸件形状结构、生产批量及质量要求灵活选用。加工成形是将泡沫坯料，采用数控机床加工方式制备，表面粗糙度较大（见图2），适合于结构简单、生产数量小的中大型铸件；发泡型是先制备金属模具，然后在金属模具内部发泡制备模型，模型表面光滑细腻（见图3），适用于具有一定批量，精度和粗糙度要求比较高的铸件。当铸件结构复杂，其模型无法一次加工成形时，需要对模型进行结构设计，分片成型，并选择合适的粘结剂进行装配，应严格管控粘结剂用量及装配质量，以减少焙烧后残留物，避免由于装配结合不良，导致产生铸件凹痕、毛刺缺陷。

(a)模样整体 (b)表面质量

图2 加工成形EPS消失模模型及表面质量

(a)模样整体 (b)表面质量

图3 发泡成形EPS消失模模型及表面质量

1.3 氧化陶瓷型壳制备工艺

泡沫模型机加工后表面粗糙，同时为避免泡沫模型与面层直接接触，避免焙烧过程中泡沫残留物粘结在型壳表面，模型需要在制壳前进行浸蜡处理，既可改善钛铸件表面粗糙度，又能减少铸造缺陷。氧化陶瓷型壳面层采用稳定的氧化锆或氧化钇作为耐火填料，锆胶或氨胶作为粘结剂；背层可采用硅溶胶和马来粉配制的浆料进行制壳。根据铸件大小型壳涂挂6~15层，每层涂挂中间将型壳进行干燥处理，严格控制温度和湿度，避免胀壳及型壳裂纹缺陷。随后将制备好的型壳放于焙烧炉，进行预热和高温焙烧，制备好的型壳即可用于钛合金铸件的浇注。采用消失模覆壳铸造技术工艺制备的钛合金叶轮型壳及铸件见图4。

(a)叶轮型壳 (b)叶轮铸件

图4 叶轮型壳及铸件

2 钛合金消失模覆壳铸造技术应用前景及优势

与铸钢、铸铁等金属大规模批量化生产不同，钛铸件产品普遍为单件定制或中、小批量生产。现有技术，中等或大型尺寸钛铸件单件定制或小批量生产时，一般采用机加工石墨型铸造，但近年来受环保等因素影响，石墨价格由原来1~1.5万元/吨涨至3万元/吨以上，石墨型制备成本占钛铸件总成本达30~60%，对于大型复杂框架式结构铸件占比更高，此外石墨型铸造无法生产壁厚≤4mm薄壁钛铸件，且表面流痕、冷隔、裂纹等缺陷严重（见图5），后序打磨、补焊工作量大，生产成本高，同时面临环保淘汰或限制退出的风险；中小型钛铸件批量化生产时，一般采用金属模具射蜡熔模铸造方法，但对于中大型铸件单件或小批量生产时，大型金属模具制作费用高昂，且加工周期长，同时大型射蜡机及制壳线投资较大、产能利用率低。消失模覆壳铸造具有上述两种铸造方法所不具备的优点，可有效降低钛铸件生产成本，简化生产工序，缩短生产周期，并提高铸件质量。

与石墨型铸造相比，消失模覆壳铸造具有如下优势，预期可降低石墨型铸造成本30%以上，同时显著改善表面质量及交期：①设计灵活，采用整体模型覆壳制备铸件，显著提高了铸件设计的自由度，同时通过EPS泡沫模片组合，可生产结构高度复杂钛铸件；②氧化陶瓷型壳导热系数低、退让性好，型腔内表面光滑，可解决石墨型铸件流痕、冷隔及裂纹缺陷，使充型性能与表面粗糙度达到或接近熔模铸造水平，并可以实现4mm以下复杂薄壁铸件的生产；③无需型芯，可避免机加工石墨型型芯位置不准确或合型错位导致的壁厚不均等问题，尺寸精度高；④EPS泡沫价格便宜、易加工，可显著降低钛铸件成本，缩短生产周期；⑤生产现场干净，无石墨粉尘污染，可满足清洁化生产要求。

与钛合金熔模铸造技术相比，消失模塑料泡沫比石蜡更为便宜，且在中大型尺寸铸件单件或小批量生产时，无需投资大型射蜡机及金属模具，即可实现生产，成本和交期优势尤为突出。消失模覆壳铸造技术，对于降低中等或大批量化钛铸件生产成本，同样具有较大开发潜力。

(a)表面流痕 (b)冷隔

图5 加工石墨型钛铸件表面流痕、冷隔缺陷

3 结束语

钛合金消失模覆壳铸造技术具有生产操作简单、尺寸精度高、表面质量好、可成形高度复杂铸件等优点，解决了机加工石墨型铸造流痕、裂纹、冷隔、充型性能差，以及大型射蜡机及模具投资大等问题，显著降低了钛合金铸件生产成本，经济效益提升。因此，结合钛铸件生产特性，充分挖掘EPS消失模覆壳铸造潜力，进行技术创新及应用推广，对钛铸件低成本化生产及扩大市场应用规模具有积极促进作用。

来源：2020年第40卷第09期 李渤渤 钛合金消失模覆壳铸造技术及应用前景