1．鈦合金的鑄造成形

鈦元素在地殼中的儲(chǔ)量僅次于鐵、鋁、銅，位居金屬元素的第四位。而且，欽合金具有一系列優(yōu)異的性能，因而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。鈦合金依其應(yīng)用背景可分為高溫鈦合金、結(jié)構(gòu)鈦合金和功能鈦合金三種。鈦合金的成形方法除鑄造以外，還有鍛造、超塑、焊接等方法。
   
1．鑄造鈦合金的熔煉工藝
   
鈦是非常活潑的金屬，在液態(tài)下，和氧、氮、氫和碳的反應(yīng)相當(dāng)快，因此鈦合金熔煉必須在較高的真空度或惰性氣體（Ar或Ne）保護(hù)下進(jìn)行。熔煉用坩堝均采用水冷銅坩堝，具體的熔煉工藝主要有三種方式：
 
（1）非自耗電極電弧爐熔煉   合金熔煉在真空或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。該工藝主要為自耗電極熔煉制備電極。
 
（2）真空自耗電極電弧爐熔煉   以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極，以水冷銅坩堝為陽極。熔化了的電極以液滴形式進(jìn)入坩堝，形成熔池。熔池表面被電弧加熱，始終呈液態(tài)，底部和坩堝接觸的四周受到強(qiáng)制冷卻，產(chǎn)生自下而上的結(jié)晶。熔池內(nèi)的金屬液凝固后成為鈦錠。
 
（3）真空自耗電極凝殼護(hù)熔煉  熔煉裝置示意圖見圖1。這種熔爐是在真空自耗電極電弧爐基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是一種將熔煉與離心澆注聯(lián)成一體的鑄造異形件的爐型。其最大的特點(diǎn)是在水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層鈦合金固體薄殼，即所謂凝殼，這層同材質(zhì)的凝殼作為坩堝的內(nèi)襯，用于形成熔池儲(chǔ)存鈦液，避免了坩堝對(duì)鈦合金液的污染。澆注后，留在增損內(nèi)的一層凝殼，可作為坩堝內(nèi)襯繼續(xù)使用。

近年來，隨著科技的發(fā)展及生產(chǎn)的需要，相繼研究開發(fā)了熔煉鈦合金及其他活性金屬的新方法及裝備，主要有電子束爐、等離子體爐、真空感應(yīng)爐等，并獲得一定程度的應(yīng)用。但從耗電量、熔化速度、成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比來看，自耗電極電弧爐（含凝殼爐）熔煉仍是目前最經(jīng)濟(jì)適用的熔煉方法，見表1。

表 1   不同熔煉鈦合金時(shí)的指標(biāo)比較

2．鈦合金的鑄造工藝
   
由于鈦元素的物理-化學(xué)特性，使得鈦合金的鑄造工藝，無論是造型材料率是工藝方法均有其獨(dú)特的要求和特點(diǎn)。一是要求耐火度非常高的造型材料；二是澆注必須在較高的真空度或惰性氣體的保護(hù)下進(jìn)行，有時(shí)還要附以離心力。其鑄造工藝種類如下：
 
（1）永久鑄型   主要有加工石墨型、金屬型（鐵鑄型、鈦鑄型）。鑄型均系機(jī)械加工制成。生產(chǎn)的鑄件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，尺寸精度較低；一般應(yīng)用于毛坯件的生產(chǎn)。
 
（2）一次性鑄型   可以生產(chǎn)形狀比較復(fù)雜、尺寸精度較高的鑄件。按其造型方法，有搗實(shí)石墨砂型和熔模型殼兩種。后者可以制造更為復(fù)雜（壁厚2mm）、尺寸精度高和表面粗糙度低（Ra3.2）的鑄件。接型殼材料不同，熔模型殼又分為三種不同的系統(tǒng)。

1）純石墨型殼系統(tǒng)。用不同粒度的石墨粉作為耐火填料和撒砂材料，以樹脂為粘接劑。型殼強(qiáng)度高、重量輕、成本低，原料來源廣泛。適于離心或重力澆注。
   
2）難熔金屬面層型殼系統(tǒng)。為復(fù)合型系統(tǒng)，除面層因造型材料不同（鎢粉等難熔金屬）需采取特殊工藝外，背層從造型材料到制殼工藝均同于鑄鋼的熔模鑄造。
   
3）氧化物陶瓷型殼系統(tǒng)。型殼的面、背層均由氧化物作為造型材料，因而型殼強(qiáng)度高，熱導(dǎo)率在三種型殼中最小，適于澆注形狀復(fù)雜的薄壁鑄件。
   
用以上三種型殼系統(tǒng)澆注的鈦鑄件，在化學(xué)成分和力學(xué)性能方面差別很小；但表面質(zhì)量有明顯差別，后兩種型殼的收縮率明顯小于石墨型殼，因而鑄件尺寸精度。
   
在生產(chǎn)中，可以根據(jù)鈦鑄件的具體情況選用上述不同方法。

2．金屬基復(fù)合材料的鑄造成形
   
金屬基復(fù)合材料（MMC）被譽(yù)為21世紀(jì)的材料。由于其很好地結(jié)合了金屬的塑性、韌性和陶瓷的高強(qiáng)度、高彈性模量，從而具有一些引人注目的物理性能和力學(xué)性能，比如高的比彈性模量、比強(qiáng)度、耐熱、耐磨以及尺寸穩(wěn)定性等。從經(jīng)濟(jì)適用的觀點(diǎn)出發(fā)，陶瓷顆粒增強(qiáng)的MMC材料更受到人們關(guān)注，研究、應(yīng)用的熱點(diǎn)集中在鎂基和鋁基合金，增強(qiáng)顆粒主要有Al2O3、SiC等。其成形工藝主要有粉末冶金和鑄造兩種。前者由于工藝復(fù)雜、成本高、難于制造大尺寸件及復(fù)雜件，所以很難在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。采用鑄造法成形顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料具有工藝簡單、成本低，對(duì)尺寸和形狀沒有限制，可大批量連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。
   
顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料的鑄造成形方法主要有如下六種：
   
1．液態(tài)金屬／陶瓷顆粒攪拌鑄造法
   
通過機(jī)械攪拌在液態(tài)金屬中產(chǎn)生渦流從而引入陶瓷顆粒并使其分布均勻。采用這種方法制造鋁基復(fù)合材料，陶瓷顆粒尺寸可小到10μm，增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)25％。
   
2．熔體浸滲鑄造法
   
熔體浸滲工藝包括壓力浸滲和無壓浸滲。前者是利用機(jī)械裝置或惰性氣體作為壓力媒體將金屬熔體浸漬滲透進(jìn)多孔的陶瓷預(yù)制塊中，可制備體積分級(jí)高達(dá)50％的復(fù)合材料，此方法已被廣泛應(yīng)用。后者是在氮?dú)鈿夥障虏恍枋┘尤魏螇毫辖鹑垠w就能良好地浸透陶瓷粉末預(yù)制塊中，可制備體積分?jǐn)?shù)高達(dá)55％的復(fù)合材料。
   
3. 擠壓鑄造法
   
此方法先從機(jī)械攪拌法制備復(fù)合漿料，然后將液態(tài)復(fù)合漿料倒入擠壓模（需預(yù)熱）內(nèi)，起動(dòng)液壓機(jī)，使液態(tài)漿料在一定的比壓下凝固成形。
   
4. 高能超聲法
   
該方法是在金屬熔化后，一邊利用超聲發(fā)生裝置（多用磁致伸縮換能器）施加超聲振動(dòng)，一邊加入陶瓷顆粒，實(shí)現(xiàn)均勻混合以后澆注成形。也可將陶瓷顆粒制成預(yù)制件，澆入液體金屬后，施加超聲進(jìn)行熔體浸滲。該方法可在極短的時(shí)間里（數(shù)十秒）實(shí)現(xiàn)顆粒的均勻分布。
   
5．流變鑄造法
   
此法是對(duì)處于固液兩相區(qū)的熔體施加強(qiáng)烈的攪動(dòng)形成低粘度的半固態(tài)漿液，同時(shí)引入陶瓷顆粒，利用半固態(tài)漿液的觸變特性分散增強(qiáng)相，在一定壓力下充型凝固成形。此工藝是一種兩相工藝，局限于大結(jié)晶范圍的合金。
   
6．原位反應(yīng)鑄造法
   
這是最近發(fā)展的一種嶄新方法。它與上述五種方法的根本區(qū)別在于：增強(qiáng)陶瓷顆粒不是外加的，而是在制備過程中通過化學(xué)反應(yīng)在原位生成。其基本原理是：在一定的液態(tài)合金中，利用合金液的高溫，使合金液中的合金元素之間或合金元素與化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一種或幾種陶瓷增強(qiáng)顆粒，然后通過鑄造成形獲得由原位顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料。
   
金屬基復(fù)合材料的制備工藝目前尚處于研究開發(fā)中，在上述各種方法中，最具產(chǎn)業(yè)化前景的是機(jī)械攪拌鑄造法。因?yàn)槠涔に嚭唵巍⒊杀镜停瑢?duì)熔體及增強(qiáng)顆粒的種類幾乎沒有限制，具有廣泛的適應(yīng)性。但要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還需解決以下幾個(gè)問題：顆粒微觀分布的均勻性；金屬基體與增強(qiáng)顆粒之間的界面反應(yīng)與控制；組織與性能和穩(wěn)定性等。