一、选题背景
为满足航空航天飞行器升级换代对高性能金属结构件的需求，零部件生产技术和材料不断进步革新。钛合金具备密度低、比强度高、耐腐蚀强和耐高温性等特性，被广泛应用于航空航天领域的关键承力结构件，且使用量不断增长。然而，钛合金零件生产过程中存在切削力大、易磨损等问题，导致加工效率低、成本高，限制了钛合金零部件在低空飞行器、兵器船舶领域推广应用。熔模精密铸造技术是解决大尺寸、薄壁、复杂结构钛合金构件一体化成型难题、降低制造成本的有效手段。经过数十年的发展，当前航空航天工业中90%以上的钛合金铸件生产均采用熔模精密铸造技术。当前，我国航空航天产业处于快速发展阶段，国产化在近年错综复杂的国际局势下加速推进，预计未来国内航空航天产业精密铸造市场总需求量将突破千亿。
二、研究方法
本文综述了近年来钛合金精密铸造在航空航天产业中的应用现状，回顾了国内外钛合金精密铸造工艺发展、材料开发和产品应用，在铸造工艺方面重点关注了制模、制壳、熔炼浇注和后处理，在材料开发方面主要涉及常规铸造TC4、高温近α钛合金和钛铝合金的铸造性能和力学性能，在钛合金精密铸件方面主要介绍了航空航天发动机结构件，最后总结了目前存在的问题并提出了建立材料数据库、降低生产成本、发展铸造模拟软件等展望。
三、研究内容
（1）钛合金精密铸造工艺发展
钛合金熔模精铸件的生产流程主要有蜡模制作-模壳制作-熔炼浇注-后处理。首先，将计算机辅助设计软件设计的铸件模型用模具（或增材制造设备）制作出蜡模，在其表面包裹多层耐火材料形成模壳，加热模壳使蜡融化流出。然后，通过高温使模壳烧结陶瓷化后，将熔化的钛合金液体浇注到模壳内，待金属液凝固并冷却后破坏模壳，取出铸件及浇注系统。最后，对铸件及浇注系统进行切割浇冒系统、吹砂打磨、检测、酸洗、修补等后处理工艺后，获得最终铸件产品。
图1钛合金熔模精密铸造流程图
（2）精密铸造钛合金材料发展
钛合金精密铸造技术的发展与铸造钛合金材料的发展是相辅相成的。为充分发挥钛合金材料的特性，适配合金的铸造性能，需要开发针对性的铸造技术并不断改进。此外，为降低铸造难度、控制成本，需要调整钛合金成分，在最大程度保证使用性能不下降的前提下，使合金成分更有利于铸造成形和后处理。在这种螺旋上升的态势下，钛合金精密铸造技术和铸造钛合金材料都获得了很大进步，常规铸造钛合金的铸造技术不断完善，新型高性能铸造钛合金材料也不断被开发出来。国内外应用范围最广、使用量最大的α+β型钛合金是ZTC4；近α钛合金中，ZTA15合金的使用量最多。国内外耐550℃以上高温钛合金主要有Ti1100、IMI834、Ti6242、ZTi55、ZTi60和ZTi65。TiAl合金密度比常规钛合金更小，还具有优异的高温抗蠕变和抗氧化性能，可替代镍基高温合金在航空发动机600~1000℃高温区服役。Ti2AlNb合金比大多数TiAl合金高温强塑性和抗蠕变性能更好，其使用温度高达800℃，具有很大的替代铸造镍基高温合金的潜力。
（3）钛合金精铸件在航空航天飞行器上的应用现状
经过几十年的发展，钛合金精铸件已经广泛应用于航空航天飞行器关键结构件，尤其是整体精铸件的使用为飞行器结构稳定性提升、延长机体寿命、整体减重、减少装配难度、降低制造成本做出了重要贡献。常规钛合金精密铸件在航空飞行器上的应用最为突出。北京航材院已成为空客CFM 56-7发动机支板的主要供应商，并成为LEAP-1A、1B、1C发动机的钛合金铸件供应商。中科院金属所、北京航材院、西北工业大学、哈尔滨工业大学研制了TiAl合金扩压器、叶片和增压器涡轮等铸件。中科院金属所生产的45XD合金低压涡轮叶片已完成英国罗罗公司的Trent XWB大推力大涵道比发动机考核验证。钛合金铸件在导弹上使用比较普遍，有尾翼、弹头壳体、火箭壳体及连接座等。航天飞行器和人造卫星使用的钛合金铸件主要是一些支座，板架与接头等结构件、人造卫星上照相机框架等。
图2航空航天飞行器用典型钛合金精密铸件
四、研究结论
近年来，钛合金精密铸造技术、材料和产品在航空航天领域的应用取得很大进展，我国在铸造钛合金材料开发上已走在世界前列，钛合金精密铸造技术基本实现国产化，并大批量应用于航空航天飞行器关键结构件上。但是我国钛合金精密铸造技术企业与美国先进精密铸造企业相比仍有一定差距，钛合金精铸件应用方面也存在一些亟待解决的难题：
（1）新型铸造钛合金推广应用迟缓；
（2）钛合金精密铸造生产成本下降难；
（3）钛合金精密铸造模拟仿真技术落后；
（4）钛合金增材制造崛起的强力竞争。为解决这些难题，提升钛合金精密铸造的应用水平，我们可以从如下几个方面进行改进：
（1）建立新型铸造钛合金成分-铸造性能-力学性能数据库；
（2）利用数字孪生技术降低生产成本；
（3）大力发展国产铸造模拟软件。
作者介绍
张鹏飞
研究员，主要从事航空航天材料先进制造技术研究。
李金山
教授，博士生导师，研究方向为先进金属结构材料及其精确热成形技术。
团队介绍
李金山，西北工业大学教授、博导，凝固技术国家全国实验室主任，万人计划领军人才，国务院政府特殊津贴专家。兼任中国材料研究学会凝固科学与技术分会理事长、中国机械工程学会铸造分会副理事长、中国航空学会材料工程分会副主任委员、中国兵装学会隐身与防护材料分会副主任委员。主要从事先进金属结构材料及其精确成形技术研究工作。发表学术论文300余篇，合著专著3部，获授权国家发明专利100余项。获国家级教学成果奖一等奖1项，二等奖1项；国防科技一等奖1项、二等奖1项，其他省部级科技奖一等奖3项，二等奖2项；中国专利优秀奖1项。