鈦和鈦合金因其比強(qiáng)度高、密度低、熱導(dǎo)率低、抗高溫氧化能力強(qiáng)和優(yōu)異的耐腐蝕等性能，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代國防、航空航天、海洋船舶、化工設(shè)備等制造領(lǐng)域中，尤其是在航空航天工業(yè)領(lǐng)域，被譽(yù)為正在崛起的“第三金屬”、“智能金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬材料。隨著裝備制造領(lǐng)域的快速發(fā)展，對鈦合金關(guān)鍵零部件的尺寸精度、可靠性以及本體性能的要求日益嚴(yán)苛[1-2]。近年來，為適應(yīng)鈦合金鑄件復(fù)雜、薄壁及精密化的研制需求，鈦合金石墨型鑄造、金屬型鑄造、熔模精密鑄造、砂型鑄造等工藝得到了不斷改進(jìn)與發(fā)展，但仍存在一定的局限性。其中，石墨鑄型激冷能力強(qiáng)，熔融鈦液在石墨鑄型中冷卻速度較快，造成澆不足、冷隔、流痕及微裂紋等缺陷，而且存在嚴(yán)重的滲碳現(xiàn)象，對鈦合金鑄件表面產(chǎn)生嚴(yán)重影響，很大程度上限制了鈦合金石墨型鑄造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展[3-4]。鈦合金金屬型鑄造中金屬鑄型無透氣性，型腔中氣體在金屬液充填時(shí)無法有效排出，會形成氣阻，造成澆不足，氣體侵入鑄件產(chǎn)生氣孔，極大地影響了鑄件的性能。另外，金屬鑄型往往還要配合耐火涂料使用，試驗(yàn)條件嚴(yán)苛，國內(nèi)外關(guān)于鈦合金金屬型鑄造的研究也鮮有報(bào)道[5-6]。另外，由于鈦合金的流動(dòng)性較差，一般需要采用外力輔助的離心鑄造或反重力鑄造技術(shù)，其中離心鑄造可以增加鈦合金熔體的充型能力，因此，大部分高性能的鈦合金精鑄件采用熔模精密鑄造結(jié)合離心鑄造技術(shù)生產(chǎn)[7-8]。作為一種先進(jìn)的近凈成形工藝，鈦合金熔模精密鑄造工藝主要被用于生產(chǎn)航空航天領(lǐng)域所需的復(fù)雜薄壁精密鑄件。典型的小尺寸精密鑄件和飛機(jī)機(jī)體用精密鑄件等表現(xiàn)為鑄件尺寸精度高［（100±0.1）mm]、表面粗糙度可達(dá)Ra3.2～6.3μm，鑄件性能優(yōu)異，這也奠定了精密鑄造在鈦合金鑄造中的主導(dǎo)地位。圖1為通過熔模鑄造制備的小型鈦合金精密件和某飛機(jī)機(jī)體用薄壁ZTC4合金精鑄件。
圖 1 熔模鑄造制備的鈦合金小型精密件和飛機(jī)機(jī)體用薄壁 ＺＴＣ４ 合金鑄件 ［９ － 1０]
Fig． 1?。樱恚幔欤臁。穑颍澹鉯ｓiｏｎ?。穑幔颍簦蟆。颋?。鬷ｔａｎiｕｍ?。幔欤欤铮猓鵬ｎｖｅｓｔｍｅｎｔｃａｓｔiｎg ａｎｄ ｔｈiｎ － ｗａｌｌｅｄ?。冢裕茫矗幔欤欤铮悖幔螅鬷ｎgｓ FｏｒａiｒｃｒａFｔ?。醝ｒFｒａｍｅｓ[９ － 1０]
然而，鈦合金熔模鑄造工藝在模料、模樣制備、面層耐火材料和黏結(jié)劑選擇方面還存在一定的技術(shù)問題，尤其是制備周期長、工藝流程繁瑣、鑄件尺寸不能太大、鑄件冷卻速度較慢等，這不僅會增加鈦合金鑄件的生產(chǎn)成本，還會限制鈦合金的進(jìn)一步應(yīng)用，因此有必要發(fā)展其他的鈦合金鑄造方法[9-13]。
相比于熔模精密鑄造，鈦合金砂型鑄造具有可制備大型鑄件以及成本低、效率高等優(yōu)勢，目前工程上有取代部分精鑄件以及從簡單鑄件到復(fù)雜鑄件制備的需求。
但是目前鈦合金傳統(tǒng)砂型鑄造依然存在一定的局限性，這是因?yàn)槿廴诘拟伜辖鹁哂泻芨叩幕瘜W(xué)活性，幾乎可以與所有的耐火材料反應(yīng)，熔融鈦與鑄型的相互作用會使鑄件表面形成污染層，極大地影響鑄件的表面品質(zhì)和性能[14]。而且傳統(tǒng)砂型鑄造方法難以快速制備復(fù)雜異形整體砂芯，也無法保證鑄型的尺寸精度，這些技術(shù)問題限制了鈦合金砂型鑄造的發(fā)展。因此，開發(fā)一種制造成本低、生產(chǎn)周期短、尺寸精度高的鈦合金快速制造成形工藝成為關(guān)注焦點(diǎn)。3D打印技術(shù)可直接制備砂型/芯，可以節(jié)約時(shí)間、降低成本，且不受零件的復(fù)雜程度限制，因此將3D打印制備復(fù)雜砂型及砂芯技術(shù)應(yīng)用在鈦合金鑄造中得到了廣泛關(guān)注。
1、鈦合金傳統(tǒng)砂型鑄造工藝現(xiàn)狀
相對于制作周期長、鑄造尺寸受限的熔模精密鑄造，砂型鑄造更適合于制備中大型厚壁鑄件，且其成本低、生產(chǎn)靈活性大、適用范圍廣，更為環(huán)保經(jīng)濟(jì)。目前，鈦合金砂型鑄造所采用的鑄型耐火材料有鋯砂、鋁礬土砂、莫來石、石英砂等，結(jié)合水玻璃、硅酸乙酯、硅溶膠等高溫黏結(jié)劑，同時(shí)在耐火材料中添加不同輔助材料，以提高砂型的品質(zhì)，極大地推動(dòng)了鈦合金砂型鑄造的發(fā)展。然而，由于鈦合金性質(zhì)非?；顫姡谌蹮捙c澆注過程中極易與常規(guī)鑄型耐火材料發(fā)生不同程度的交互反應(yīng)，影響鑄件的表面品質(zhì)。因此，鈦合金澆注用砂型/芯必須嚴(yán)格控制其發(fā)氣量以及涂層惰性化，且需要一定的高溫強(qiáng)度。目前制備鈦合金鑄造用砂型/芯的難點(diǎn)在于砂型/芯在800℃以上烘烤溫度時(shí)，整體強(qiáng)度較低，無法進(jìn)行耐火涂層焙燒，尤其不能滿足鈦合金因流動(dòng)性較差，所需的外力輔助澆注（如真空離心澆注、低壓澆注等）強(qiáng)度要求。因此，鈦合金砂型鑄造工藝對造型用耐火材料、砂型/芯表面涂覆的涂料和砂型強(qiáng)度均有很高的要求。目前國內(nèi)外對于鈦合金砂型鑄造工藝的研究較少。
鋯砂（ZrSiO4）是常用的鈦鑄造耐火材料之一，具有熔點(diǎn)高、良好的流動(dòng)性、相對較高的電導(dǎo)率和更好的尺寸穩(wěn)定性。目前鋯砂模具已廣泛應(yīng)用于鑄鐵和其他有色金屬鑄造領(lǐng)域，對厚壁優(yōu)質(zhì)鑄件有良好的效果。研究發(fā)現(xiàn)，水玻璃黏結(jié)劑鋯砂砂型，具有一定的高溫強(qiáng)度和良好的潰散性，不僅能夠承受高溫熔融鈦的沖擊作用，而且鈦熔體與砂型間界面反應(yīng)較弱，得到的鑄件表面的富氧層較少，因此是一種比較好的鈦合金砂型鑄造方法[15-17]。此外，增加鋯砂中ZrO2的含量，能有效減少鈦鑄件表面的污染。圖2為手工搗實(shí)制備的水玻璃粘結(jié)劑鋯砂鑄型和澆注得到的典型鈦合金鑄件。McDeavittSM等[18]選用鋯砂和橄欖石砂作為耐火材料，以膨潤土為粘結(jié)劑，采用搗實(shí)特種砂型工藝，成功制備出砂型澆注的鈦合金鑄件，見圖3?？梢钥闯?，鑄件表面品質(zhì)良好無明顯缺陷。結(jié)果表明，橄欖石砂型僅適合用來生產(chǎn)小型鑄件，而鋯砂砂型可用于澆注大型鈦合金鑄件，這表明鋯砂是一種具有廣闊開發(fā)前景的鈦合金鑄型材料。
（ ａ ）水玻璃黏結(jié)劑鋯砂鑄型 （ ｂ ）澆注的典型鈦合金鑄件
圖２水玻璃黏結(jié)劑鋯砂鑄型和澆注的典型鈦合金鑄件 ［1５]
Fig． ２?。趇ｒｃｏｎiｕｍ ｓａｎｄ?。恚铮欤洹。颋?。螅铮鋓ｕｍ?。骾ｌiｃａｔｅ?。鈏ｎｄｅｒ?。幔睿洌簦餴ｃａｌ?。穑铮酰騣ｎg ｔiｔａｎiｕｍ?。幔欤欤铮悖幔螅鬷ｎgｓ[1５]
（ ａ ）鋯砂砂型澆注的鈦合金鑄件 （ ｂ ）橄欖石砂型澆注的鈦合金鑄件
圖３兩種不同砂型澆注的鈦合金鑄件 ［1８]
Fig． ３ Ｔiｔａｎiｕｍ?。幔欤欤铮?ｃａｓｔiｎgｓ ｐｏｕｒｅｄ?。猓?ｄiFFｅｒｅｎｔ ｓａｎｄ ｍｏｕｌｄｓ[1８ ]
王崢［19]、吳東輝[20]在BT20鈦合金砂型鑄造與熔模鑄造的對比研究中，選用鋯砂作為耐火材料，水玻璃為粘結(jié)劑，結(jié)合ZrO2涂料為惰性涂層，制備了鋯砂砂型；選用ZrO2陶瓷型殼結(jié)合復(fù)合粘結(jié)劑制備熔模型殼，最后進(jìn)行鋯砂砂型和熔模型殼的鈦合金澆注試驗(yàn)，均成功澆注出階梯板狀BT20鈦合金鑄件，并著重研究了
不同壁厚和不同熱處理方式對階梯板狀鈦合金鑄件的界面反應(yīng)、組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于熔模型殼，結(jié)合ZrO2涂層的鋯砂鑄型表面擴(kuò)散反應(yīng)層厚度最小，且鋯砂砂型中的BT20鈦合金散熱條件優(yōu)于熔模型殼，因此得到的鈦合金鑄件組織也更為細(xì)小。同時(shí)，鋯砂砂型鑄造BT20合金鑄態(tài)下強(qiáng)度較熔模鑄造BT20合金高，在壁厚為10mm處，二者抗拉強(qiáng)度相差42.4MPa，這說明在某些情況下砂型鑄造能有效彌補(bǔ)熔模鑄造的不足。郭迎慶等[21]研究了一種鈦合金鑄造用覆膜鋯砂砂型的制備方法，選取化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫的硅酸鋯粉末作為耐火材料，再攪拌混合樹脂、偶聯(lián)劑、六亞甲基四胺水溶液，在制備的砂型鑄型表面滲透噴涂一層Y2O3與釔溶膠混合液，防止因熔融鈦在鑄造成形時(shí)與鋯砂鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)產(chǎn)生缺陷。該方法制備的鑄型具有較佳的力學(xué)性能，最終澆注出的鈦合金鑄件表面平整、尺寸精度高、金屬成形性優(yōu)良，但國內(nèi)目前還缺少后續(xù)的相關(guān)實(shí)際工程應(yīng)用報(bào)道。
圖4為鈦合金泵體鑄造用砂型鑄型。除鋯砂外，鋁礬土和莫來石也可以用于鈦合金砂型鑄造的耐火材料。
圖 ４ 鈦合金泵體鑄造用砂型鑄型 ［２２]
Fig． ４?。樱幔睿洹。恚铮欤洹ｏｒ?。鬷ｔａｎiｕｍ?。幔欤欤铮。穑酰恚穑猓铮洌?ｃａｓｔiｎg[２２]
肖強(qiáng)偉等[22-24]選用鋁礬土混合物作為耐火材料，配合硅溶膠無機(jī)粘結(jié)劑，制備特種砂型，并選用Y2O3料漿作為耐火面層材料，對鑄型工作表面進(jìn)行噴涂處理，以提高鑄型表面惰性和抗熱沖擊性能，最終制備了成形完整，表面品質(zhì)好，化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足指標(biāo)的大型鈦合金泵體鑄件。但鑄件尺寸存在偏差且鑄件內(nèi)部存在少量縮孔，還需經(jīng)過熱處理、熱等靜壓技術(shù)或其他組合后處理工藝來提高鑄件品質(zhì)。整體上，該砂型鑄造工藝適用于大型鈦合金鑄件的制造。
王濤亮等［25]以莫來石為主要造型材料，惰性材料作為面層材料制備復(fù)合砂型，用真空凝殼爐熔煉澆注，成功制備了鈦合金殼體鑄件。結(jié)果表明，鑄件表面無化學(xué)粘砂，經(jīng)Ｘ射線檢查發(fā)現(xiàn)，鑄件內(nèi)部無裂紋、夾渣缺陷。鑄件的化學(xué)成分、力學(xué)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。該工藝與石墨型鑄造工藝相比，鑄件表面和內(nèi)部品質(zhì)得到明顯改善，鑄造成本降低近50％。圖5為澆注鈦合金用的砂型砂芯和澆注后鑄件實(shí)物圖。可以看出，鈦合金砂型鑄造可成功澆注出符合要求的大型鈦合金鑄件，鈦合金砂型鑄造與熔模鑄造表現(xiàn)出較好的互補(bǔ)性。通過采用更多的耐火材料種類和發(fā)展改性硅溶膠、磷酸鹽等高溫?zé)o機(jī)粘結(jié)劑，同時(shí)更具經(jīng)濟(jì)性，鈦合金砂型鑄造將成為鈦合金鑄件的主要鑄造方法之一。
圖 ５ 砂型、砂芯實(shí)物圖和澆注后鑄件實(shí)物圖 ［２５]
Fig． ５ Ｐｒｏｄｕｃｔ?。颋?。螅幔睿洹。恚铮欤洹。铮颉。螅幔睿洹。悖铮颍濉。幔睿洌悖幔螅鬷ｎgｓ ａFｔｅｒ?。穑铮酰騣ｎg[２５]
1． 下型 ２． 上型 ?。常?型芯 ４． 附鑄試樣砂型
2、基于3D打印的鈦合金精密鑄造技術(shù)
隨著鑄造行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)可以成熟應(yīng)用于制造鑄造用砂型。目前快速砂型的主要制造工藝有激光選區(qū)燒結(jié)（SelectivelaSerSintering，SLS）和三維打印（tHreeDiMenSionalPrinting，3DP）。
通過3D打印技術(shù)直接成形鑄造砂型/芯可節(jié)約時(shí)間、降低成本，具有無模制造、響應(yīng)速度快、設(shè)計(jì)自由度大、可制備任意復(fù)雜形狀，砂型與砂芯整體一體化制造，以及成形砂型的尺寸精度高等特點(diǎn)。砂型經(jīng)過處理后可直接澆注金屬液，可以快速得到所需鑄件，顯著提升了復(fù)雜鑄件的快速制造速度和水平。將3D打印制備復(fù)雜砂型及砂芯技術(shù)應(yīng)用在鈦合金鑄造中，能減少繁瑣的步驟且不需要特定的模具和其他輔助工具，已逐步發(fā)展成復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄型制備的一種重要手段，且與普通的砂型鑄造具有很好的互補(bǔ)性，具有較好的工程意義和科學(xué)研究價(jià)值。
2.1基于SLS的鈦合金砂型鑄造技術(shù)
通過SLS技術(shù)直接成形砂型、砂芯，具有響應(yīng)速度快、制造周期短、靈活性高、穩(wěn)定性好、砂型與砂芯一體化制造及可制造出任意復(fù)雜形狀等優(yōu)點(diǎn)，能大幅提升大型復(fù)雜鑄件的快速試制和制造水平。該技術(shù)在航空航天及汽車等領(lǐng)域解決一些關(guān)鍵鑄件的生產(chǎn)展現(xiàn)出巨大潛力，其工作原理見圖6。首先通過專用軟件對零件的三維caD模型進(jìn)行分層切片處理，生成Stl文件，文件中保存著各層截面的輪廓信息。然后采用鋪粉裝置將粉末材料平鋪在工作臺上，再利用激光束的熱作用，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的粉末進(jìn)行燒結(jié)，每燒結(jié)完一層后工作臺根據(jù)截片厚度下降相同高度，鋪粉筒將粉末鋪平后繼續(xù)下一層掃描，未掃描到的地方則是松散的粉末并起到支撐和保護(hù)作用，如此反復(fù)層層燒結(jié)直至最終完成，經(jīng)過清粉、修磨、后處理等工藝即獲得所需制件[26-27]。相比于3DP工藝，SLS工藝能使用更多種類的材料，利用率和成形精度也比大部分3DP打印技術(shù)要高。
圖６ ＳＬＳ工作原理圖
Fig． ６?。停澹悖瑁幔頸ｓｍ ｄiａgｒａｍ?。颋?。樱蹋?/p>
1． 鋪粉筒 ２． 鏡面 ?。常?激光束 ?。矗?加熱器 ?。担?粉末 ６． 工作臺
careYSrPr等[28]將覆膜砂作為燒結(jié)材料，并直接將覆膜砂材料通過SLS技術(shù)制備鑄造用砂型/芯。美國DtM公司最先開發(fā)出了酚醛樹脂覆膜砂材料，并成功將其用于SLS覆膜砂型/芯成形，已用于航空、汽車工業(yè)領(lǐng)域等復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。孫忠良等[29]使用eoSintS700系統(tǒng)制造的樹脂砂型，也已用于復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。此外，國內(nèi)外在基于SLS的快速砂型制造的工藝參數(shù)上也做了大量研究，如通過調(diào)控不同激光功率、掃描速度和光斑直徑等SLS工藝參數(shù)以及不同后處理的工藝參數(shù)，從而獲得表面品質(zhì)好，性能滿足澆注要求的砂型/芯，推動(dòng)了SLS技術(shù)在無模快速鑄造領(lǐng)域的發(fā)展[30-33]。目前，SLS成形砂型/芯技術(shù)還主要應(yīng)用在鑄鋁、鑄鋼及鑄鐵等材質(zhì)的零件生產(chǎn)。史玉升等[34]利用覆膜樹脂硅砂直接燒結(jié)砂型/芯，成功澆注出摩托車氣缸體、汽缸蓋和渦輪等鑄件。王鵬程等[35]以輪形鑄件為例“反求”精鑄型殼模型，對直接燒結(jié)的覆膜樹脂砂型后處理，最終成功澆注了鑄鋁、鑄鐵和鑄鋼件，為單件、小批量復(fù)雜鑄件生產(chǎn)提供了一種快速、低成本的數(shù)字化先進(jìn)制造方法。楊勁松等[36]通過對比分析多種鑄造工藝方法，最終選用SLS成形技術(shù)直接制備出復(fù)雜液壓閥體的砂型/芯，并成功澆注出內(nèi)腔流道光滑且尺寸合格的閥體鑄鐵件。梁小文等[37]采用選區(qū)激光燒結(jié)直接制備整體砂芯，并采用低壓鑄造成形，獲得了冶金品質(zhì)好的復(fù)雜曲面油箱接管鋁鑄件，實(shí)現(xiàn)了薄壁鋁鑄件
油管的精密砂型快速鑄造，滿足了使用要求。李偲偲等[38]研究了基于SLS覆膜砂型、砂芯的鎂合金快速鑄造工藝，通過在覆膜砂中加入阻燃劑抑制鎂合金在澆注時(shí)的氧化燃燒，實(shí)現(xiàn)了鎂合金鑄件的近凈成形，推動(dòng)了利用覆膜砂進(jìn)行SLS成形技術(shù)在鎂合金鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用。圖7為適用于SLS技術(shù)的不同粒度搭配的超細(xì)砂和采用SLS技術(shù)制備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的典型一體化砂型砂芯?？梢钥闯觯蛴〉纳靶团c多個(gè)砂芯一體化組合，不僅能實(shí)現(xiàn)砂型內(nèi)部的精確定位，還能保證整個(gè)砂型的尺寸精度。
圖 ７ 適用于 ＳＬＳ 技術(shù)的不同粒度搭配的超細(xì)砂和 ＳＬＳ制備的一體化復(fù)雜砂型及砂芯 ［３７]
Fig． ７ Ｕｌｔｒａ － Fiｎｅ?。螅幔睿洹。鱥ｔｈ?。鋓FFｅｒｅｎｔ ｐａｒｔiｃｌｅ?。骾ｚｅｓ?。螅鮥ｔａｂｌｅFｏｒ?。樱蹋印。簦澹悖瑁睿铮欤飃ｙ ａｎｄ iｎｔｅgｒａｔｅｄ ｃｏｍｐｌｅｘ?。螅幔睿洹。铮颉。悖铮颍澹穑颍澹穑幔颍澹洹。猓?ＳＬＳ[３７]
相比于傳統(tǒng)造型技術(shù)，目前SLS制備砂型/芯大部分都是采用石英砂與有機(jī)粘結(jié)劑的逐層打印快速成形，故制備的砂芯初強(qiáng)度偏低、樹脂含量高，經(jīng)后固化處理的砂型/芯發(fā)氣量大，砂型熱強(qiáng)度不高，而且由于熔融鈦具有很高的化學(xué)活性，鑄造成形時(shí)極易與常規(guī)鑄型材料發(fā)生界面反應(yīng)，導(dǎo)致鈦鑄件表面產(chǎn)生較厚的氧化層、粘砂、表面夾雜及氣孔等一系列的鑄造缺陷，因此SLS制備砂型/芯難以直接澆注高溫化學(xué)性質(zhì)活潑的鈦合金，這些因素限制了SLS覆膜砂型/芯在鈦合金鑄造中的應(yīng)用。鈦合金鑄造用砂型/芯應(yīng)具有較高的熱強(qiáng)度、較低的膨脹系數(shù)以及較高的化學(xué)惰性，以保證鈦合金鑄造過程不發(fā)生鑄型嚴(yán)重開裂，同時(shí)防止化學(xué)活性較高的熔融鈦合金與耐火氧化物發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)[39-40]。因此，研究適合于鈦合金鑄造的SLS用的砂型材料和制備工藝，對于推廣SLS快速成形技術(shù)在鈦合金鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用有著積極作用。
為了更好地解決一些復(fù)雜鈦合金關(guān)鍵鑄件的制備問題，研究者進(jìn)行了大量基于SLS技術(shù)的鈦合金鑄造用砂型/芯的無機(jī)粘結(jié)劑浸滲和焙燒工藝研究。Harlannr等［41-42]選用ZrO2粉末與共聚物混合作為耐火材料，采用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯混合液（摩爾比為80:20）對ZrO2粉末進(jìn)行覆膜，其中黏結(jié)劑含量占30％，并采用燒結(jié)層厚為127μm、激光掃描間距為76μm、燒結(jié)速度為40.6cM/S、激光功率為5Ｗ的工藝進(jìn)行SLS砂型制備。對制備后的砂型進(jìn)行鋯溶膠的浸滲和燒結(jié)，在500℃下使黏結(jié)劑發(fā)生裂解，然后進(jìn)行1500℃×10H的高溫?zé)Y(jié)處理。圖8為SLSZrO2＋體積分?jǐn)?shù)為30％共聚物條件下制備的試樣經(jīng)燒結(jié)后的形貌和浸滲鋯溶膠并經(jīng)過高溫焙燒后的砂型形貌。從圖8a可以看到，大部分砂粒表面附著黏結(jié)劑，并通過砂粒間的黏結(jié)劑聚合，從而具備一定的強(qiáng)度。從圖8ｂ可以看到，試樣經(jīng)過1400℃×8H高溫焙燒后，共聚物黏結(jié)劑燒蝕，浸滲鋯溶膠在氧化鋯顆粒間形成橋接，取代共聚物形成的橋接，從而提高了砂型的強(qiáng)度。
圖 ８?。樱蹋?燒結(jié)后（ ＺｒＯ ２ ＋ 體積分?jǐn)?shù) ３０％ 共聚物）砂型形貌和 ＺｒＯ ２ ＋浸滲ＺｒＯ ２ ［４1]
Fig． ８ Ｍｏｒｐｈｏｌｏgiｅｓ?。颋?。螅幔睿洹。恚铮欤洹。幔睿洹。鷌ｒｃｏｎiａ＋iｍｐｒｅgｎａｔｅｄｚiｒｃｏｎiａ?。酕ｔｅｒ?。樱蹋印。骾ｎｔｅｒiｎg[４1]
（ ａ ）髖關(guān)節(jié)鑄件及砂型 （ ｂ ）吹砂后的髖關(guān)節(jié)鑄件
圖 ９ 制備的砂型模具及澆注后的鈦合金鑄件 ［４２]
Fig． ９ Ｐｒｅｐａｒｅｄ?。螅幔睿洹。恚铮欤洹。幔睿洹。鬷ｔａｎiｕｍ ａｌｌｏｙ ｃａｓｔiｎgａFｔｅｒ?。穑铮酰騣ｎg[４２ ]
圖9為制備的砂型模具及澆注后的鈦合金鑄件?？梢钥闯?，得到的鈦鑄件表面品質(zhì)較好，性能滿足要求，這證明了通過激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜形狀的鈦合金鑄件用砂型，具有一定的可行性，且不需要特定的模具或輔助工具蠟?zāi)！Ｚw開發(fā)［43]、梁小文等[44]選用鋯砂為原砂材料，酚醛樹脂為黏結(jié)劑，結(jié)合SLS和鈦合金砂型鑄造的特點(diǎn)，快速制備了覆膜鋯砂砂型，并選用Y2O3制備涂層進(jìn)行純鈦的SLS鋯砂砂型澆注試驗(yàn)。圖10為純鈦鑄件表面宏觀圖和SeM圖，最終得到的鈦鑄件輪廓清晰、表面品質(zhì)較好，呈光亮灰黑色。從圖10ｂ可以看出，鑄件表面僅局部有凹坑及球狀凸起，界面反應(yīng)層僅約3μm，初步探討了SLS鋯砂砂型表面與鈦合金鑄件的界面反應(yīng)機(jī)理，表明SLS砂型澆注鈦合金金屬的可行性，但其相關(guān)研究僅圍繞著單一黏結(jié)劑展開研究，缺少對無機(jī)黏結(jié)劑和其他耐火材料如硅砂、寶珠砂等在覆膜砂領(lǐng)域的研究。另外，該研究仍僅停留在制備簡單小件的實(shí)驗(yàn)室研究階段，成本太高，若要澆注大型復(fù)雜鈦合金鑄件還需進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。
圖1０ ＳＬＳ制備的砂型澆注的純鈦鑄件表面ＳＥＭ 形貌 ［４３]
Fig． 1０?。樱牛汀。恚铮颍穑瑁铮欤飃iｅｓ ｏF?。穑酰颍濉。鬷ｔａｎiｕｍ ｃａｓｔiｎgｓｐｒｅｐａｒｅｄ?。猓?ＳＬＳ[４３ ]
梁培［26]、朱佩蘭[45]研究了基于SLS的雙黏結(jié)劑覆膜砂，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)以nH4H2PO4粉末作為無機(jī)黏結(jié)劑，提高其含量及改變SLS燒結(jié)工藝參數(shù)均無法使顆粒黏結(jié)成形。而在樹脂含量為2％的覆膜砂中，添加少量的nH4H2PO4可大幅降低覆膜砂的發(fā)氣量。在雙黏結(jié)劑條件下，將后處理溫度增加到210℃時(shí)，其固化強(qiáng)度可達(dá)到2.02MPa，可充分發(fā)揮樹脂和nH4H2PO4的黏結(jié)性能。但試驗(yàn)中未對制備的砂型進(jìn)行高溫焙燒，無法保證其具有較好的高溫強(qiáng)度和制備的砂型能否成功應(yīng)用于鈦合金鑄造。進(jìn)一步研究表明，將原砂、覆膜砂與一定含量的不同無機(jī)粘結(jié)劑及偶聯(lián)劑等其他輔助材料充分混合后制備標(biāo)準(zhǔn)試樣或簡單鑄型，經(jīng)過低溫和高溫焙燒（＞1000℃）后，試樣和鑄型還能有較高的強(qiáng)度（3MPa左右）且表面品質(zhì)較好[46-47]。同時(shí)，對添加某種輔助材料并經(jīng)過后固化的覆膜砂標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行無機(jī)黏結(jié)劑的真空浸滲，經(jīng)過充分自干并高溫焙燒（＞1000℃）后，試樣同樣具有一定的強(qiáng)度且表面質(zhì)量較好。結(jié)果表明，在高溫條件下無機(jī)黏結(jié)劑取代有機(jī)黏結(jié)劑能為砂型提供高溫強(qiáng)度，鑄型強(qiáng)度滿足鈦合金澆注要求。
圖11為經(jīng)過高溫焙燒后的不同工藝試樣和簡單鑄型。
圖11經(jīng)過高溫焙燒后的不同工藝試樣和簡單鑄型
Fig． 11 Ｓｐｅｃiｍｅｎｓ?。幔睿洹。骾ｍｐｌｅ ｃａｓｔiｎg ｍｏｌｄ?。酰睿洌澹颉。鋓FFｅｒｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｅｓ?。酕ｔｅｒ ｈigｈ?。簦澹恚穑澹颍幔簦酰颍濉。颍铮幔螅鬷ｎg
2.2基于3DP的鈦合金砂型鑄造
3DP打印黏結(jié)成形、噴墨沉積，也被稱為粘合噴射（ＢinDerJetting）、噴墨粉末打?。╥nKJetPoｗDerPrint－ing）。該工藝屬于“液體噴印成形”。20世紀(jì)90年代末，eDereri等[48]發(fā)明了噴墨砂型3D打印技術(shù)。該技術(shù)主要用來研發(fā)高端鑄造產(chǎn)品和復(fù)雜單件的小批量制造。噴墨砂型3D打?。?DP）是一種砂型/芯數(shù)字化無模制造新技術(shù)，相比于激光選區(qū)燒結(jié)工藝，該技術(shù)效率高、透氣性好、成本低，可以和傳統(tǒng)樹脂砂鑄造工藝完全兼容。另外，相比于傳統(tǒng)鑄造模式，噴墨砂型3D打印技術(shù)簡化了鑄造工藝流程，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。同時(shí)，制備的砂型具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存放時(shí)間長、潰散性能優(yōu)良等特點(diǎn)，從而降低生產(chǎn)成本。噴墨砂型3D打印的工作原理見圖12。系統(tǒng)先在工作臺上鋪一層粉（預(yù)混好固化劑的砂粒）；噴墨打印頭根據(jù)caD數(shù)據(jù)生成的截面形狀在粉床上噴出黏結(jié)劑，打印出一個(gè)截面；工作臺面一個(gè)層厚（砂型層厚）為0.2～0.4mm；然后系統(tǒng)不斷重復(fù)上述步驟，直到完成所有截面的打??；最后固化的砂型從工作缸中取出，去除未固化的多余粉末，得到最終所需的砂型[49-50]。
圖 1２ 噴墨砂型 ３Ｄ 打印的工作原理示意圖 ［４９]
Fig． 1２ Ｓｃｈｅｍａｔiｃ?。鋓ａgｒａｍ?。颋?。鳎铮颍雐ｎg?。穑騣ｎｃiｐｌｅ?。颋 iｎｋｊｅｔ ｓａｎｄ?。常模穑騣ｎｔiｎg
[４９ ]
目前，國內(nèi)外3DP工藝廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鋁合金、鑄鋼、鑄鐵件。SHanggH等[51]、KangJ等[52]提出了一種殼桁架砂模鑄型，并通過黏結(jié)劑噴墨3D打印技術(shù)制備。該殼桁架砂模將砂殼與支撐、加固砂桁架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以在模具的特定位置調(diào)整冷卻條件，實(shí)現(xiàn)鑄件的快速均勻冷卻，提高生產(chǎn)效率，減少鑄件的變形和殘余應(yīng)力。此外，殼桁架砂模所需的砂量相比于傳統(tǒng)砂型鑄型減少，最終澆注得到合格的a356鋁合金鑄件。
楊永泉等[53]通過噴墨3D打印工藝，成功試制出四缸發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸體鑄件，且鑄件質(zhì)量滿足要求，砂型潰散性能優(yōu)良。
但是該工藝在鈦合金鑄造領(lǐng)域還有一定的技術(shù)難題，主要是噴墨3D打印工藝大多采用有機(jī)黏結(jié)劑，澆注高溫鈦液的過程中會產(chǎn)生很大的發(fā)氣量，因此無法直接進(jìn)行澆注，而且噴墨3D打印的砂型/芯高溫性能較差，無法保證在對砂型涂覆耐火涂層并進(jìn)行高溫焙燒后還能有一定的強(qiáng)度。此外，熔融狀態(tài)下的鈦合金非常活潑，鈦合金液會和除惰性氣體外的其他氣體發(fā)生劇烈反應(yīng)，甚至發(fā)生爆炸，同時(shí)會和鑄型表面發(fā)生不同程度的反應(yīng)，形成界面污染層，極大影響鈦合金鑄件的表面質(zhì)量和性能，這些因素極大地限制了基于噴墨3D打印鈦合金鑄造工藝發(fā)展。為了解決發(fā)氣量問題和提高砂型高溫強(qiáng)度，研究者對無機(jī)黏結(jié)劑的噴墨砂型3D打印工藝展開了多項(xiàng)研究。RaMaKriSHnanr等[54]研究了一種基于無機(jī)硅酸鈉黏結(jié)劑體系的噴墨砂型3D打印工藝，通過對其黏結(jié)機(jī)理的探究發(fā)現(xiàn)，砂粒之間的硅酸鈉黏合劑首先經(jīng)過初步水解，水解后的黏結(jié)劑可以潤濕周圍的砂粒，形成黏結(jié)橋，也可以通過物理脫水硬化。
水解和硬化過程的特性顯著地影響了打印制件的性能，也可以通過改變噴墨砂型3D打印工藝參數(shù)來調(diào)整這些特性。MeetＵ等[55]、MitraS等［56]在對噴墨砂型3D打印技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)，降低燒結(jié)層的厚度和增加黏結(jié)劑含量能夠提高砂型的抗拉強(qiáng)度，但同時(shí)降低了表面質(zhì)量，層厚效應(yīng)明顯。另外，固化處理工藝也影響砂
型的性能，通過對3DP砂型進(jìn)行100℃×2H后固化處理，能夠有效避免樹脂交聯(lián)衰退、發(fā)氣量過大以及砂型斷裂，從而提高砂型的強(qiáng)度；液相蒸發(fā)和黏結(jié)劑收縮顯著影響透氣性，通過質(zhì)量損失測試可以評估液相蒸發(fā)速率，進(jìn)而分析固結(jié)過程中砂型透氣性和強(qiáng)度變化機(jī)制。
邢金龍等[57]研究了一種噴墨砂型3D打印芯用雙組分熱硬化無機(jī)粉末黏結(jié)劑材料。結(jié)果表明，用該材料打印生產(chǎn)的砂型發(fā)氣量較低，強(qiáng)度滿足要求，打印生產(chǎn)時(shí)揮發(fā)性有機(jī)物排放量低，對打印頭的損傷較小。雖然噴墨砂型3D打印技術(shù)在傳統(tǒng)金屬液澆注過程中的發(fā)氣量問題和提高砂型高溫強(qiáng)度方面得到了有效解決，但要成功將該技術(shù)應(yīng)用于鈦合金鑄造還需考慮選擇合適的耐火材料以及與砂型結(jié)合性好且耐高溫的惰性涂層，以減少鈦合金液與鑄型間的界面反應(yīng)。
目前國內(nèi)外將3DP工藝成功應(yīng)用于鈦合金鑄造的報(bào)道和工程實(shí)際應(yīng)用較少，RaviS等[58]選用硅砂為耐火材料，配合呋喃樹脂黏結(jié)劑，通過3DP技術(shù)制備了硅砂模具，并涂覆新開發(fā)的涂層，澆注鈦合金得到了質(zhì)量合格的鈦鑄件。結(jié)果表明，使用快速成形技術(shù)制備硅砂模具并涂覆有效的耐火涂層，如水基氧化鋁涂層，可以很大程度上降低熔融鈦與鑄型間的界面反應(yīng)，從而減少鈦鑄件的表面缺陷。這表明將3DP打印技術(shù)與鈦合金鑄造結(jié)合的新型快速鑄造技術(shù)有降低制備鈦鑄件成本的潛力，并增加其在其他應(yīng)用領(lǐng)域中的使用可能性。圖13為涂覆氧化鋁涂層的3DP硅砂模具和澆注的楔形鈦鑄件示意圖。
圖1３涂覆氧化鋁涂層的３ＤＰ硅砂模具和澆注的楔形鈦鑄件示意圖 ［５８]
Fig． 1３?。樱悖瑁澹恚幔鬷ｃ ｄiａgｒａｍ ｏF?。常模小。骾ｌiｃａ?。螅幔睿洹。恚铮欤洹。悖铮幔簦澹洌鱥ｔｈ Ａｌ ２ Ｏ ３ ａｎｄ?。鳎澹鋑ｅ?。鬷ｔａｎiｕｍ?。悖幔螅鬷ｎg[５８ ]
金天拾等［59]提出了一種噴墨黏結(jié)三維打印砂型鈦合金鑄造工藝，采用新型的工藝思路，首先對3DP制備的砂型進(jìn)行真空浸滲形成結(jié)合層，經(jīng)過干燥處理后，再對型腔結(jié)合層涂覆惰性材料涂料，形成過渡層和面層，經(jīng)過高溫焙燒后在將燒結(jié)的砂型置于真空澆注機(jī)中進(jìn)行鈦合金澆注。該方法不僅能夠無?；a(chǎn)任意復(fù)雜度的砂型，還可用于鈦合金快速鑄造，且鈦合金鑄造過程安全、穩(wěn)定、無隱患，生產(chǎn)效率高、成本低。但該方法對涂料性能要求較高，工程實(shí)際應(yīng)用也較少。
作為一種新型砂型/芯數(shù)字化無模制造新技術(shù)，噴墨砂型3D打印工藝生產(chǎn)的砂型、砂芯透氣性好、砂型強(qiáng)度高、潰散性能好、鑄件質(zhì)量優(yōu)良，但仍然存在3D打印的材料及無機(jī)黏結(jié)劑的種類有限等問題，因此尚未廣泛應(yīng)用于鈦合金鑄造領(lǐng)域中。若能將硅溶膠、水玻璃等高溫?zé)o機(jī)黏結(jié)劑直接應(yīng)用于噴墨砂型3D打印，并解決打印設(shè)備對無機(jī)黏結(jié)劑的適用性問題，則該技術(shù)能在鈦合金鑄造領(lǐng)域得到更大的突破，具有廣闊的應(yīng)用前景。綜上，采用SLS和3DP成形砂型/芯技術(shù)來發(fā)展鈦合金的砂型鑄造，在砂型/芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造和整體砂型砂芯等方面，具有顯著的優(yōu)勢。但目前3D打印在鈦合金砂型鑄造中還面臨著一些技術(shù)問題，需要進(jìn)一步研究。
3、展望
隨著航空航天、國防軍工等領(lǐng)域?qū)︹伜辖痂T件的尺寸和性能要求越來越高，鈦合金砂型鑄造會成為繼鈦合金熔模精密鑄造后又一種主流鈦合金鑄造工藝，尤其是在結(jié)合3D打印技術(shù)后?；?D打印技術(shù)的新型鈦合金快速砂型鑄造工藝可以實(shí)現(xiàn)快速、復(fù)雜及大型精密鑄件的鑄造，在一定程度上彌補(bǔ)鈦合金熔模精密鑄造的不足，極大地推動(dòng)了鈦合金鑄造工藝的發(fā)展。但鈦合金鑄造用砂型砂芯的關(guān)鍵制備技術(shù)還有待深入研究。
（1）從微觀角度對型砂材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步探索其他合適的耐火材料，降低原材料成本；通過添加新的加工助劑和燒結(jié)助劑，調(diào)節(jié)其加入含量和種類搭配，實(shí)現(xiàn)對砂型/芯的性能有效調(diào)控。
（2）多學(xué)科合作開發(fā)適合于3D打印砂型/芯的無機(jī)黏結(jié)劑，進(jìn)一步提高砂芯的室溫和高溫強(qiáng)度。
（3）針對目前鈦合金用砂型/芯存在的裂紋、開裂、變形等問題，可從砂芯后處理-埋砂高溫焙燒的特點(diǎn)出發(fā)，通過在型砂材料中引入低熔點(diǎn)有機(jī)樹脂或其他燒結(jié)助劑，利用高溫焙燒時(shí)有機(jī)樹脂燒蝕形成的孔隙，來改善砂型的透氣性和退讓性，進(jìn)而減少甚至避免砂型/芯的開裂、變形，從而獲得高尺寸精度、良好表面品質(zhì)的砂芯。
（4）重點(diǎn)研究鈦合金砂型/芯在低溫、高溫焙燒過程中耐火材料和黏結(jié)劑的顯微組織和物相演變規(guī)律，解決耐火材料-有機(jī)樹脂向耐火材料-無機(jī)黏結(jié)劑轉(zhuǎn)變過程中存在的界面黏結(jié)強(qiáng)度和砂型變形等控制難題。
（5）開發(fā)適用于大中型砂型/芯的無機(jī)黏結(jié)劑浸滲工藝與裝備，及研制適合于3D打印砂型/芯的惰性耐火涂層，進(jìn)一步改善減少砂型/芯與鈦合金之間的界面反應(yīng)層。
（6）針對目前鈦合金砂型鑄造需高溫焙燒工序，開發(fā)無需高溫焙燒的鈦合金砂型鑄造技術(shù)。
4、結(jié)語
目前，采用傳統(tǒng)鈦合金砂型鑄造方法存在鑄型的制作工序仍較繁瑣，以及耐火材料和可選的黏結(jié)劑種類不多等問題，同時(shí)，其制備的鈦合金鑄件表面粗糙度和尺寸精度與熔模精密鑄造相比仍有提升的空間，在一定程度上限制了鈦合金鑄件的推廣和廣泛應(yīng)用。采用3D打印技術(shù)直接成形制備鈦合金鑄造用砂型/芯，具有制備周期短、靈活性高、穩(wěn)定性好、可一體化制備復(fù)雜異形砂型/芯等優(yōu)點(diǎn)，能有效促進(jìn)大型復(fù)雜鑄件的快速試制和提升制造水平，在解決航空航天及汽車等領(lǐng)域一些關(guān)鍵鑄件的生產(chǎn)上展現(xiàn)出巨大潛力。因此，進(jìn)一步開展適合于鈦合金砂型/芯的3D打印是今后鈦合金鑄造發(fā)展的方向和研究重點(diǎn)。將3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)鑄造方法合理結(jié)合的優(yōu)勢在于：二者互補(bǔ)性好，可以縮短研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)快速復(fù)雜件的試制，以及單件、小批量生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。二者結(jié)合甚至可以局部替代部分熔模精密鑄造或其他高精密鑄造技術(shù)，成為新產(chǎn)品試制、小批量生產(chǎn)的一種主要鈦合金成形方法。
尤其是對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鈦合金鑄件，3D打印技術(shù)將會給鈦合金鑄造行業(yè)的發(fā)展帶來巨大的推動(dòng)力。
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