钛及钛合(he)金具(ju)有(you)重量(liang)轻(qing)、强度高、耐(nai)热性(xing)强(qiang)和(he)耐(nai)腐(fu)蚀等(deng)许(xu)多优点(dian)，在航空、航天、舰船(chuan)、化工、冶(ye)金(jin)、电(dian)力(li)、医(yi)疗(liao)器械(xie)和体育休闲(xian)等领(ling)域得(de)到广泛的应(ying)用(yong)，因(yin)而(er)被(bei)人们称(cheng)为“太(tai)空(kong)金(jin)属(shu)”“海(hai)洋(yang)金(jin)属(shu)”“智(zhi)慧金属”。钛及(ji)钛合金(jin)铸件(jian)做为钛加(jia)工材(cai)的(de)一(yi)种，因其具有(you)优(you)异的(de)化学(xue)和(he)力学性能(neng)，被(bei)广泛(fan)应(ying)用于航(hang)空、航天、舰船(chuan)、化(hua)工(gong)、海(hai)洋运输(shu)、医疗卫(wei)生(sheng)、运(yun)动器械(xie)、环(huan)保(bao)、汽(qi)车及(ji)其他(ta)机械(xie)制(zhi)造、建筑等(deng)领(ling)域，并(bing)以(yi)每年20％的速度(du)递增(zeng)。
目前(qian)钛(tai)铸件的(de)主(zhu)要生产(chan)技术(shu)有(you)机加石(shi)墨型制造(zao)工(gong)艺(yi)和精(jing)密铸造(zao)生(sheng)产(chan)工艺。前者(zhe)适用于简(jian)单形状(zhuang)、厚(hou)大铸件(jian)和(he)对(dui)尺寸(cun)要求不高的(de)钛(tai)铸件生(sheng)产。对于(yu)结构(gou)复杂(za)、有(you)不规(gui)则(ze)曲(qu)面(mian)或(huo)内部具(ju)有(you)精细(xi)结(jie)构的(de)零(ling)件(jian)机加(jia)石(shi)墨型制造工(gong)艺并不(bu)适(shi)用，但随(sui)着工(gong)业4.0和(he)智(zhi)能(neng)制造的发展(zhan)，大(da)型(xing)、薄壁、整体(ti)、结构复杂(za)和(he)高(gao)精度钛铸件的(de)需求会越(yue)来越(yue)多(duo)，这些(xie)零件(jian)只(zhi)有通(tong)过(guo)精密(mi)铸造的(de)方式(shi)进(jin)行生产(chan)。精密铸(zhu)造需要(yao)制作(zuo)模(mo)具(ju)生(sheng)产(chan)出(chu)蜡模，但(dan)模(mo)具(ju)设计和生(sheng)产(chan)时间(jian)比(bi)较(jiao)长，特(te)别是(shi)对(dui)一些形(xing)状(zhuang)复(fu)杂(za)的(de)铸件(jian)，如(ru)叶(ye)片、叶轮(lun)、发动(dong)机缸(gang)体和缸盖等(deng)，模(mo)具的制造(zao)难度(du)大，费(fei)用(yong)高，时间(jian)长。因此(ci)，对复(fu)杂(za)零件(jian)的(de)试制或(huo)小(xiao)批(pi)量生产，采(cai)用传(chuan)统精(jing)密铸(zhu)造(zao)方(fang)法(fa)，制(zhi)造周(zhou)期长(zhang)、成本高、风(feng)险大(da)，甚至无(wu)法制造。
采用3D打印增材制(zhi)造(zao)技术(shu)与(yu)铸(zhu)造技(ji)术相结合(he)，通(tong)过零(ling)件(jian)的三维模(mo)型，无需(xu)模(mo)具即(ji)可快速(su)制造(zao)出零(ling)件的“蜡(la)模”并快速制(zhi)造(zao)出(chu)金(jin)属(shu)零(ling)件(jian)，不(bu)仅(jin)能(neng)解(jie)决上述问(wen)题，而且能实现铸(zhu)造工艺(yi)过程(cheng)的(de)集(ji)成化、自动化(hua)、快(kuai)速(su)化(hua)[１]。3D打印快速(su)成形(xing)技(ji)术的应用(yong)，可以实现“设计(ji)即(ji)生(sheng)产(chan)”，将(jiang)大大缩短新(xin)产(chan)品的研发周期(qi)，节(jie)约(yue)研(yan)发(fa)成本。因此，研究3D打印(yin)技(ji)术在(zai)钛及(ji)钛合(he)金精(jing)密(mi)铸(zhu)造(zao)领域(yu)的应用具(ju)有(you)重要意(yi)义。
目(mu)前采(cai)用(yong)3D打印(yin)技(ji)术的(de)钛及钛(tai)合(he)金精(jing)密铸造(zao)主(zhu)要工(gong)艺路(lu)线(xian)如下:(１)利(li)用(yong)3D打(da)印(yin)机(ji)制作树(shu)脂模，组树后(hou)，再(zai)采(cai)用(yong)熔(rong)模(mo)铸(zhu)造(zao)工艺，通(tong)过(guo)制(zhi)壳、浇(jiao)铸、清理壳体(ti)和后续(xu)处(chu)理(li)等工序得(de)到(dao)精密(mi)铸件。(2)采用(yong)3D打(da)印技(ji)术直(zhi)接制(zhi)备(bei)精密(mi)铸(zhu)造(zao)用陶(tao)瓷型壳(ke)和(he)型(xing)芯(xin)，然(ran)后(hou)将(jiang)型(xing)壳与(yu)型芯组合，通过(guo)浇(jiao)注(zhu)、清(qing)理(li)砂壳后(hou)得到精(jing)密(mi)铸(zhu)件(jian)。不过(guo)，采用这(zhe)种技(ji)术，打(da)印(yin)件在固(gu)化时(shi)会(hui)产(chan)生(sheng)尺(chi)寸误(wu)差，打(da)印(yin)件(jian)经(jing)过(guo)脱脂烧(shao)结(jie)处理(li)后(hou)，尺寸又会发生较大的收(shou)缩[2]。其次由于(yu)钛(tai)金(jin)属(shu)的活(huo)泼性，能(neng)满足(zu)用于(yu)铸(zhu)造(zao)钛(tai)铸件的3D打(da)印陶(tao)瓷(ci)型(xing)壳(ke)开(kai)发难(nan)度(du)非常高。
对于钛(tai)及钛合金精密铸(zhu)造(zao)第一种(zhong)工艺路线是比较(jiao)可(ke)行且(qie)经(jing)济(ji)的方式，但(dan)其生产工艺又(you)与(yu)传(chuan)统(tong)的(de)钛及钛(tai)合(he)金精(jing)密铸(zhu)造生(sheng)产工(gong)艺(yi)不同(tong)，按(an)照传(chuan)统钛及(ji)钛(tai)合(he)金精(jing)密(mi)铸造(zao)生产工艺很(hen)难(nan)生产(chan)出(chu)合(he)格的(de)钛及钛合(he)金铸(zhu)件。因此(ci)，必(bi)须(xu)对(dui)传统的(de)制(zhi)模(mo)、组(zu)树(shu)、制(zhi)壳(ke)、焙烧(shao)、浇(jiao)注(zhu)和酸(suan)洗(xi)工序(xu)进行(xing)改(gai)进(jin)，确(que)定新(xin)的(de)工(gong)艺参(can)数(shu)才(cai)能生(sheng)产(chan)出(chu)品质优良的钛及钛合金(jin)铸件(jian)。
１、制模(mo)
传(chuan)统的(de)制(zhi)模(mo)技术是通过模(mo)具(ju)得(de)到(dao)所(suo)需(xu)的蜡模(mo)，3D打(da)印快速制(zhi)模(mo)技(ji)术(shu)以离(li)散/堆积(ji)原理，通过(guo)切(qie)片(pian)软件(jian)将复杂零件的(de)三维(wei)CAD模(mo)型按一(yi)定(ding)方式(shi)离散切片成为(wei)简单可(ke)加(jia)工(gong)的(de)离(li)散面(mian)(二(er)维平面(mian))、离(li)散线和离散点，然后再采(cai)用激(ji)光烧结或(huo)加热的(de)方(fang)式将(jiang)这(zhe)些(xie)离散(san)的(de)面、线和点堆积形(xing)成零件的整体形状。3D打印(yin)快(kuai)速(su)制(zhi)模技术(shu)具有(you)较(jiao)强的灵活性(xing)，该技术(shu)能大(da)大缩(suo)短(duan)产品的设计开发周(zhou)期(qi)，解决单件或(huo)小(xiao)批(pi)零件的(de)制造(zao)问题。
对(dui)于(yu)大型铸(zhu)件(jian)，在制作模(mo)型的(de)过程(cheng)中3D打(da)印(yin)时生产(chan)效(xiao)率低。为了(le)提高生(sheng)产效(xiao)率(lv)在3D打(da)印时(shi)设(she)置(zhi)快(kuai)速(su)打(da)印(yin)和(he)无(wu)支(zhi)撑(cheng)打印(yin)减(jian)少不(bu)必(bi)要的时间，其次可(ke)以(yi)多(duo)个(ge)打(da)印(yin)机(ji)按不(bu)同(tong)部位(wei)同时打印再组(zu)装到一(yi)起。图(tu)１为3D打(da)印(yin)的蜡模，图(tu)2为3D打印(yin)的聚(ju)乳(ru)酸(suan)高分(fen)子模，图(tu)３为(wei)3D打(da)印的树脂模。对(dui)不同材质(zhi)的(de)3D打(da)印材料进行(xing)灰(hui)分和残(can)留物(wu)检(jian)测(ce)，蜡(la)质和聚乳(ru)酸高(gao)分(fen)子(zi)模(mo)灰(hui)分(fen)和(he)残(can)留(liu)物较(jiao)少(shao)，可(ke)以(yi)满足钛及钛合金(jin)精(jing)密(mi)铸(zhu)造(zao)对(dui)模(mo)型(xing)的(de)要求(qiu)，树脂(zhi)的(de)灰(hui)分(fen)和残(can)留(liu)物较多(duo)且处(chu)理(li)困难(nan)，不能(neng)满(man)足(zu)钛(tai)及钛(tai)合(he)金(jin)精(jing)密铸(zhu)造(zao)对模(mo)型的要求。
2、组树
根据(ju)产品(pin)尺(chi)寸和结(jie)构(gou)选(xuan)择合(he)适的组树方(fang)式(shi)，将(jiang)检(jian)查(cha)合格的(de)3D打印模按(an)照工艺要求组焊(han)到(dao)浇注系(xi)统(tong)上(shang)。为(wei)了(le)能(neng)牢(lao)固的组装(zhuang)模型(xing)各(ge)个部(bu)件，我(wo)们(men)采(cai)用(yong)热(re)熔胶(jiao)枪(qiang)对(dui)各(ge)个(ge)部件(jian)进(jin)行粘(zhan)接(jie)，模组焊(han)合处(chu)应(ying)饱满(man)、圆滑、无虚焊(han)和焊(han)瘤(liu)。图4为(wei)粘接好的(de)模型。为了(le)进一步(bu)增加浆料的涂(tu)挂(gua)性，增加浆(jiang)料与(yu)模型的附着力，并提高(gao)模(mo)型(xing)表(biao)面光(guang)洁度，本工艺在3D打(da)印(yin)的模(mo)型(xing)表(biao)面涂挂(gua)一(yi)层蜡，蜡(la)层(ceng)厚度(du)0.5mm~0.6mm。涂挂方(fang)法为，把(ba)打印好(hao)的模(mo)型(xing)浸入(ru)到温度(du)为(wei)60℃~70℃蜡(la)液中(zhong)，取出(chu)后(hou)翻转转(zhuan)匀(yun)蜡液。待(dai)蜡(la)液(ye)凝固后用刮(gua)刀刮掉表面(mian)多余(yu)的蜡，再(zai)用(yong)纱(sha)布(bu)打(da)磨表面(mian)，提高(gao)表(biao)面光洁(jie)度，并(bing)在(zai)挂(gua)浆(jiang)之(zhi)前(qian)再通过洗蜡(la)的方式(shi)进一(yi)步提(ti)高(gao)浆(jiang)料(liao)与(yu)模型(xing)之间的(de)附(fu)着力。
３、制壳
在(zai)制壳过程中(zhong)，制壳材(cai)料的质(zhi)量非(fei)常重(zhong)要(yao)，确(que)保具有(you)以(yi)下(xia)几点:(１)具(ju)有高(gao)的耐火(huo)温(wen)度(du)；2)制(zhi)壳(ke)材(cai)料具(ju)有足够(gou)的惰性(xing)可(ke)以(yi)减(jian)少金属液和耐火(huo)材(cai)料的(de)反(fan)应(ying)；(３)制(zhi)作好(hao)的(de)型(xing)壳(ke)具有(you)足够的(de)物理强度可以(yi)确保(bao)在生(sheng)产过程(cheng)中进行搬(ban)运；(4)型(xing)壳具有足(zu)够的热强度(du)以(yi)便(bian)能承受(shou)金(jin)属液(ye)的(de)冲(chong)击(ji)；(5)制(zhi)壳材(cai)料具(ju)有好的尺(chi)寸稳定性(xing)；(6)浆料具(ju)有很好(hao)的涂(tu)挂(gua)性(xing)。
该工艺(yi)使(shi)用(yong)氧(yang)化钇(yi)作为面层的(de)耐火(huo)材(cai)料(liao)，粘(zhan)结(jie)剂采(cai)用硅酸锆(gao)无机水溶液(ye)。该氧化物(wu)和粘结剂配(pei)制(zhi)的面(mian)层型(xing)壳在(zai)高(gao)温(wen)状态下(xia)与钛液(ye)不(bu)会(hui)发生(sheng)反应(ying)，导(dao)热性(xing)低(di)，保温(wen)性较好(hao)，适(shi)合浇(jiao)注(zhu)大型(xing)钛合(he)金精(jing)密铸(zhu)件(jian)。这(zhe)种新型(xing)粘结剂与碳(tan)酸(suan)锆氨、醋酸锆(gao)和钇溶(rong)胶相比(bi)更适合3D打(da)印的(de)模型，其面层强度(du)更(geng)高(gao)，面(mian)层不(bu)易脱(tuo)落，制(zhi)得的(de)模壳湿(shi)态强(qiang)度更(geng)高(gao)，可(ke)以防止(zhi)涨壳(ke)，高(gao)温强度好，更耐金(jin)属液冲(chong)刷(shua)，型(xing)壳涂挂(gua)时(shi)不(bu)易(yi)变(bian)形(xing)。
控(kong)制参(can)数(shu)为(wei)，面层(ceng)浆料粘(zhan)度(du)40ｓ~60ｓ，面层干(gan)燥间(jian)温度(du)20℃~24℃，湿(shi)度60％~70％。背(bei)层采用(yong)马来(lai)砂和(he)马(ma)来(lai)粉配(pei)制，背层浆料粘(zhan)度(du)16ｓ~24ｓ，背层干燥间温度20℃~24℃，湿度40％~50％。根(gen)据(ju)铸件大(da)小选择涂(tu)挂6~8层。图5为(wei)涂挂(gua)了(le)背(bei)层(ceng)的(de)模型。
4、焙烧和浇注(zhu)
涂挂(gua)好(hao)的型壳根(gen)据制模(mo)材料的(de)不同采取(qu)两(liang)种(zhong)不(bu)同的工艺(yi)路(lu)线。蜡(la)模制作(zuo)的模(mo)壳(ke)放(fang)入脱(tuo)蜡(la)斧中进行(xing)脱蜡(la)，脱(tuo)完(wan)蜡后放入(ru)焙烧炉进(jin)行(xing)焙烧，焙(bei)烧(shao)温度1050℃，时(shi)间2ｈ。聚乳(ru)酸(suan)高分(fen)子模(mo)和树(shu)脂(zhi)模制(zhi)作(zuo)的模(mo)壳(ke)放(fang)入(ru)预(yu)热炉内(nei)先进(jin)行(xing)预热，除去型(xing)壳中(zhong)多余的(de)水(shui)分，预(yu)热(re)温(wen)度(du)60℃，预热(re)时(shi)间(jian)3h；预(yu)热(re)好(hao)的型(xing)壳必(bi)须马上放入天然气焙烧(shao)炉(lu)内(nei)进(jin)行焙(bei)烧(shao)，焙(bei)烧温度(du)1050℃，焙烧时间(jian)2ｈ，在此(ci)焙烧(shao)过(guo)程(cheng)中聚(ju)乳酸高分(fen)子模和树脂(zhi)模(mo)被(bei)烧(shao)掉，剩(sheng)下(xia)的(de)空壳可以(yi)用(yong)来浇(jiao)注。
树(shu)脂模(mo)在焙烧过程(cheng)中(zhong)容易(yi)发生膨(peng)胀(zhang)胀裂(lie)型(xing)壳(ke)，本工艺(yi)树(shu)脂(zhi)模因其表面涂(tu)有蜡(la)，预(yu)热温(wen)度60℃时蜡(la)已经(jing)开(kai)始(shi)融化(hua)，使模型与(yu)壳之(zhi)间(jian)产(chan)生(sheng)了(le)间(jian)隙(xi)，彻(che)底(di)解决(jue)了(le)因(yin)树(shu)脂焙烧(shao)膨胀(zhang)而(er)对模(mo)壳(ke)产生(sheng)的胀(zhang)裂问题(ti)。树脂模必须(xu)采用(yong)天(tian)然(ran)气炉(lu)焙(bei)烧，树(shu)脂(zhi)在(zai)天(tian)然气炉(lu)中(zhong)瞬(shun)间(jian)燃(ran)烧消(xiao)失减少(shao)了(le)其(qi)因(yin)膨(peng)胀而对(dui)型壳(ke)损(sun)坏(huai)。图(tu)6为(wei)天(tian)然(ran)气(qi)焙(bei)烧炉(lu)，图7为焙烧后的型壳。制好(hao)的(de)的型(xing)壳(ke)组(zu)盘(pan)后即可(ke)浇(jiao)注，浇(jiao)注好(hao)的(de)铸件(jian)如果是(shi)重量轻、壁(bi)厚薄(bao)的铸件其表(biao)面(mian)污(wu)染(ran)层(ceng)薄，无需(xu)专(zhuan)门去(qu)除，经过热等(deng)静(jing)压、精(jing)整和(he)包(bao)装(zhuang)后(hou)即可发(fa)给(gei)客户(hu)。
5、酸洗(xi)
对(dui)于重(zhong)量大或壁(bi)厚(hou)较(jiao)厚(hou)的(de)铸件通常表(biao)面污(wu)染(ran)层(ceng)较厚就需(xu)要(yao)采取(qu)酸(suan)洗(xi)工(gong)艺去除污染层。本工艺(yi)采(cai)用聚(ju)合硫(liu)酸铁(tie)和氢(qing)佛(fu)酸(suan)的混(hun)合酸进行(xing)酸(suan)洗(xi)，彻底(di)去除污(wu)染层后，用清水(shui)进行(xing)冲(chong)洗。整个(ge)酸洗过(guo)程要求(qiu)严(yan)格控(kong)制(zhi)酸(suan)洗温度和酸(suan)洗(xi)量(liang)，保(bao)证完全去(qu)除污(wu)染(ran)层(ceng)。此酸(suan)洗(xi)液(ye)相比于硝酸和(he)氢(qing)氟(fu)酸的(de)混合(he)酸洗(xi)液(ye)酸洗(xi)速度(du)更(geng)快(kuai)，酸洗效果(guo)更好(hao)。新(xin)型(xing)酸洗(xi)液配(pei)比(bi)为(wei)，聚合(he)硫(liu)酸(suan)铁(含铁≥１９％)重量比为(wei)22.９，水重量(liang)比为(wei)69，氢氟(fu)酸重(zhong)量比为8.1。图(tu)8为酸(suan)洗(xi)后的铸(zhu)件(jian)。
6、结(jie)论
3D打印材(cai)料(liao)的选(xuan)择上，蜡(la)质和聚(ju)乳(ru)酸(suan)高分子(zi)模灰(hui)分(fen)和(he)残留(liu)物较少(shao)，更(geng)适(shi)合(he)钛及钛(tai)合(he)金精(jing)密(mi)铸造(zao)。通过(guo)在(zai)3D打(da)印(yin)“模型(xing)”表面涂挂蜡层，并采用新型面层粘结剂(ji)进行(xing)面层浆料(liao)的(de)配制和涂(tu)挂，选(xuan)用(yong)天然气炉进(jin)行焙(bei)烧的(de)方(fang)法(fa)解(jie)决了浆料(liao)涂(tu)挂(gua)困(kun)难和焙烧(shao)过程(cheng)中(zhong)型壳易(yi)胀裂(lie)的问(wen)题；其(qi)次通(tong)过涂蜡的方法(fa)解(jie)决了模(mo)型表(biao)面(mian)质(zhi)量(liang)差(cha)的(de)问题(ti)；采用热(re)熔(rong)胶(jiao)枪对模(mo)型(xing)进(jin)行(xing)组焊解决了(le)模型树(shu)组焊强度不(bu)高(gao)的(de)问题(ti)；采(cai)用新(xin)型混合酸(suan)进(jin)行(xing)酸(suan)洗(xi)解决了(le)部(bu)分(fen)3D打(da)印模(mo)所(suo)制(zhi)钛及(ji)钛合金铸件污(wu)染层较(jiao)厚的(de)问(wen)题。
通(tong)过(guo)以(yi)上(shang)措施的实施(shi)打(da)通(tong)了(le)3D打(da)印模的(de)钛及钛合金(jin)精密铸造(zao)工(gong)艺(yi)流程，有助于在(zai)钛铸(zhu)造领(ling)域实(shi)现快(kuai)速(su)精密铸造技术。采(cai)用该(gai)技术(shu)既(ji)可节约生产(chan)成本，节省开(kai)模(mo)费(fei)用，又可(ke)以(yi)缩短生产(chan)周(zhou)期(qi)，满足(zu)个性(xing)化(hua)的需求，适应(ying)未来定(ding)制(zhi)型经(jing)济的(de)发(fa)展(zhan)趋(qu)势(shi)。
参(can)考文献
[１]姜(jiang)耀林，邵中(zhong)魁.3D打印(yin)在(zai)快速(su)熔(rong)模精密(mi)铸(zhu)造技术(shu)中的(de)应(ying)用(yong)[Ｊ].机(ji)电(dian)工程，20１7，３4(１):4８－5１.
[2]杨(yang)铎(duo).陶(tao)瓷型(xing)壳3D打(da)印关(guan)键技术研究(jiu)[Ｄ].郑州(zhou):华北(bei)水利水(shui)电大学(xue)，20１９.
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