钛合金具有低密度、高比强度、高耐侵蚀和耐高温性能，，，，，，，是航空航天领域普遍应用的要害金属结构质料，，，，，，，可有用减轻航空器的质量并提高其燃油效率和航行性能。。。。。别的，，，，，，，钛合金的耐侵蚀性使其在高速航行、高海拔、高盐碱等卑劣情形下能够恒久使用。。。。。近几十年来，，，，，，，陪同着宇航业和国防工业对证料性能需求的急剧增添，，，，，，，钛合金的使用量迅速提高，，，，，，，应用水平获得了极大生长[1]。。。。。我国自主研制的C919大型飞机用钛量为9%左右，，，，，，，美国F-22钛合金用量已达40%[2-3]。。。。。

由于钛合金自身化学性子生动、导热系数较小、弹性模量低，，，，，，，机械加工等古板工艺无法有用知足其成型要求，，，，，，，尤其航空航天领域追求更高的结构集成度、更小的结构壁厚等特点，，，，，，，使其应用受到限制[4]。。。。。随着工业手艺的一直生长，，，，，，，近净成形已然成为金属质料成型的主要偏向，，，，，，，其中熔模细密铸造是近净成形结构件的主要方法之一[5]。。。。。与其他钛合金细密成形要领相比，，，，，，，钛合金熔模细密铸造手艺生产的零部件具有以下特点：①铸件尺寸精度高、外貌质量好；；；；；；②零件尺寸跨度大、形状庞洪水平高；；；；；；③质料使用率高，，，，，，，对装备要求较低；；；；；；④批量化生产能力强。。。。。现在钛合金熔模精铸已可取代部分钛合金锻件，，，，，，，英国Doncasters公司接纳熔模精铸手艺生产钛合金刹车扭力管，，，，，，，取代古板的铸造钛合金扭力管，，，，，，，该零部件已用于A380客机[6]。。。。。特殊是，，，，，，，随着热等静压手艺的普遍普及，，，，，，，钛合金熔模细密铸件的应用规模日益扩大甚至部分替换了钛合金锻件和机加件。。。。。据报道，，，，，，，为知足航空工业对零部件的严苛要求，，，，，，，凌驾90%的航空铸造钛合金构件生产均接纳熔模细密铸造手艺[7]。。。。。

本文简述了钛合金熔模细密铸造生长历程，，，，，，，以数值模拟手艺应用和TiAl合金细密铸造手艺生长为切入点，，，，，，，先容了我国钛合金熔模细密铸造手艺的研究希望，，，，，，，对数值模拟手艺和TiAl合金质料应用的未来生长举行了展望。。。。。

1、我国钛合金铸造手艺的生长历程

我国钛合金细密铸造手艺的生长是从无到有、从弱到强、一直追赶并最终实现国际先进水平的历程，，，，，，，其生长脉络与我国航空航天事业的崛起细密相连。。。。。生长历程可以追溯到20世纪60年月，，，，，，，北京航空质料研究院在海内率先开展钛合金铸造手艺及其铸造合金牌号相关研究，，，，，，，该院于1962年自行设计并制造了1台熔化量为8kg的VAR装备，，，，，，，并团结沈阳铸造所使用捣实石墨型工艺生产了第1批ZTC4铸件，，，，，，，在这一阶段我国仍以引进和消化吸收美国和俄罗斯等外洋手艺为主。。。。。其时的石墨型铸造工艺相对简朴粗糙，，，，，，，生产的铸件尺寸精度和外貌质量较差。。。。。随后最先探索熔模细密铸造手艺，，，，，，，虽然型壳质料(主要是钨面层)工艺不稳固，，，，，，，及格率极低，，，，，，，但解决了从无到有的问题。。。。。

自20世纪80年月末至90年月初，，，，，，，中航工业安吉细密铸造、中国船舶质料研究所、宝鸡有色金属加工厂、中科院沈阳金属所等多家单位相继开展研究，，，，，，，乐成研制出氧化物陶瓷型壳(特殊是氧化钇面层)替换古板的钨面层，，，，，，，解决了型壳与钛液的反应问题，，，，，，，显著提高了铸件外貌质量和尺寸精度，，，，，，，是钛精铸手艺走向成熟的里程碑。。。。。别的，，，，，，，应用水冷铜坩埚凝壳熔炼手艺阻止了钛液与耐火质料坩埚的污染，，，，，，，能够提供纯净的钛合金液，，，，，，，为生产高质量铸件涤讪了基础。。。。。随着我国对航空领域的鼎力大举支持，，，，，，，钛合金铸造手艺以前期引进消化转向自主研制，，，，，，，在模具手艺开发、合金化组分研究与设计、无损检测要领、铸造工艺设计与优化、大尺寸铸件开发等方面取得了诸多效果。。。。。该时期钛合金细密铸件实现了从“有”到“能用”的跨越，，，，，，，掌握了焦点工艺，，，，，，，具备了小批量生产能力，，，，，，，但产品一致性和可靠性仍需提升。。。。。

2010年以后，，，，，，，国家鼎力大举生长航空航天事业，，，，，，，多个重点型号飞机项目、航天器项目进入要害期，，，，，，，对大型重大高承力的钛合金铸件需求激增。。。。。北京航空质料研究院、安吉细密铸造为代表的头部单位，，，，，，，在仿真盘算、型壳质料、补焊工艺、新型铸造合金等方面取得了大宗研究效果，，，，，，，开发了适用于铸造的高温钛合金、钛铝金属间化合物等新质料，，，，，，，以知足更高性能发念头的需求。。。。。应用领域也从航空航天扩展到船舶、化工、医疗(人体植入物)等高附加值领域。。。。。陪同前期国企、院所的细密铸造人才流动，，，，，，，钛合金原质料本钱下降，，，，，，，国产蜡模、型壳供应商的生产手艺和供应能力提升，，，，，，，海内中小企业也最先生产钛合金细密铸件，，，，，，，从而起源形成了钛合金细密铸造工业链。。。。。现在，，，，，，，多家大中型钛合金细密铸造企业已具备批量生产尺寸凌驾1600mm、最小壁厚2mm的发念头机匣的能力，，，，，，，靠近国际头部企业PCC和Howmet等，，，，，，，标记着我国钛精铸手艺正式迈入天下先举行列。。。。。

2、数值模拟手艺在钛合金细密铸造中的应用

古板钛合金熔模铸造工艺在开发和优化上主要依赖于试错与履历，，，，，，，相较于增材制造等其他凝固工艺，，，，，，，保存寻优周期长、试错本钱高、开发效率低且无法依赖算法迭代优化的问题，，，，，，，这严重制约了航空航天领域要害钛合金熔模细密铸件研发希望。。。。。因此，，，，，，，为提高钛合金细密铸件研发对工艺优化准确度和可靠性的要求，，，，，，，缩短科研试制周期和降低试制本钱，，，，，，，亟需使用数字化和智能化手艺，，，，，，，团结铸造理论要领与手艺开展钛合金细密铸造的数值模拟研究。。。。。

现在，，，，，，，细密铸造手艺开发历程中使用的主流有限元数值模拟软件为法国ESI公司的ProCAST、德国Magma公司的MagmaSoft和华中科技大学的华铸CAE[8]。。。。。这些有限元数值仿真工具基于强盛的有限元剖析能力，，，，，，，可以对铸造历程举行温度场、流场和凝固晶粒生长历程盘算，，，，，，，进而展望铸型中可能爆发的松散缩孔、夹杂缺陷、欠铸缺陷、剩余应力及晶粒太过粗化等特征效果，，，，，，，协助手艺职员展望铸造工艺爆发的浇注效果，，，，，，，从而缩短重大构型钛合金细密铸造研究周期，，，，，，，降低工艺实验本钱。。。。。

研究职员团结现实产品开展了大宗钛合金细密铸造数值模拟。。。。。韩昌仁等[9]基于蜡料的流变特点建设了蜡料的黏度模子和蜡料充型的控制模子，，，，，，，并接纳SOLA-VOF法对其求解并开发了熔模精铸模料充型历程三维数值模拟系统。。。。。楚玉东等[10]使用ProCAST软件研究了ZTC4合金机匣离心铸造的充型和凝固历程，，，，，，，剖析了离心转速、浇注温度和铸型预热温度对熔体充填历程流动场、凝固历程温度场和应力场的影响，，，，，，，并展望了缺陷漫衍。。。。。凌云等[11]基于华铸CAE研究了钛合金离心铸造工艺中充型凝固模拟、凝固历程温度场数值模拟及展望缩松缩孔，，，，，，，效果批注该软件对钛合金铸件的气孔、缩松缩孔等缺陷具有较高的准确性。。。。。2016年，，，，，，，我国启动了质料基因工程重点专项，，，，，，，通过算法优化和大数据剖析等要领，，，，，，，基于高效盘算、高通量测试和建设质料数据库，，，，，，，可实现对证料制备和剖析的周全集成和优化[12-15]。。。。。魏鹏啸等[16]以盘算机模拟盘算与高性能盘算效劳器为基础，，，，，，，设计出了铸造工艺集成盘算平台AI-CAST，，，，，，，实现了全流程协同迭代模拟盘算，，，，，，，大幅提升了模拟盘算效率。。。。。

3、TiAl金属间化合物铸件研究希望

ZTC4和ZTA15等海内常用的铸造钛合金均属于中温钛合金，，，，，，，最高服役温度难以逾越500℃。。。。。随着航行器马赫数的一直提升，，，，，，，对具备高温轻质特点的新型高温钛基合金的需求日益增添。。。。。而钛铝金属间化合物(TiAl合金)具有低密度，，，，，，，高比强度和比刚度，，，，，，，优异的抗氧化性、抗侵蚀性及抗蠕变性等特点，，，，，，，有望作为一种轻质高温结构质料取代古板密度较大的镍基高温合金和钢材，，，，，，，实现减轻质量、提升结构效率的目的[17-18]。。。。。由于TiAl合金室温塑性低、可加工性差，，，，，，，相关于机械加工(如挤压、铸造、轧制、板材成型)，，，，，，，熔模铸造手艺可一次性整体成型重大构型、薄壁且较高尺寸精度的构件，，，，，，，使之成为TiAl合金最有用的成型要领之一。。。。。经由20多年的起劲，，，，，，，由TiAl合金制成的涡轮增压器涡轮和低压涡轮叶片已划分乐成应用于高性能汽车发念头和航空发念头中[19-20]。。。。。

现在应用最为普遍的γ-TiAl合金是由GE公司开发的Ti-48Al-2Cr-2Nb(4822)铸造合金和Howmet公司开发的Ti-(45,47)Al-2Mn-2Nb-0.8%TiB2(XD)(体积分数)铸造合金，，，，，，，但这种合金保存室温脆性大的问题。。。。。若想进一步改善其铸造性能和服役性能，，，，，，，主要从元素设计、组织调控、优化热处置惩罚工艺等角度去提高合金综合性能。。。。。Yang等[21]通过添加Nb、W、Mo等难熔强化合金元素有用提高了TiAl合金(Ti-40Al-15Nb)的高温强度。。。。。Imayev等[22]发明高Nb和Ta的添加会使铸件中原本难以消除的元素偏析进一步显着增强。。。。。除了Nb之外，，，，，，，近年来Ta元素也逐渐受到研究职员的关注[23]，，，，，，，Loretto等[24]发明高Ta-TiAl合金也具有很好的室温韧性和抗高温蠕变性能。。。。。

与TC4相比，，，，，，，TiAl合金普遍保存流动性差、反应活性高、凝固缩短率大等问题，，，，，，，使用其生产重大薄壁铸件难以知足高尺寸精度、冶金质量和外貌质量要求。。。。。有研究批注，，，，，，，在10~80mm以下尺寸的铸件中，，，，，，，Ti4822合金的自由线缩短率可凌驾3%，，，，，，，远超ZTC4合金铸件的缩短率，，，，，，，这种高缩短率导致TiAl合金铸件良品率急剧下降[25]。。。。。熔模细密铸件生产乐成的要害在于型壳质量，，，，，，，其中高外貌质量和高退让性是包管高品质TiAl合金铸件生产的须要条件。。。。。因此，，，，，，，TiAl合金熔模铸造手艺的生长史，，，，，，，从某种水平上说就是其型壳质料的生长史[26]。。。。。TiAl合金铸造所需要的面层耐火质料主要为Al₂O₃、Y₂O₃和ZrO2。。。。。Lin等[27]以Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.1B-0.1Y为例划分得出了Al₂O₃/ZrO₂/Y₂O₃3种面层质料的反应界面厚度为40、20、170μm(图1)，，，，，，，从界面反应水平来看，，，，，，，Y₂O₃现在为最佳的面层耐火质料。。。。。但Y₂O₃保存浆料设置难度大、本钱用度高、生涯使用情形苛刻等缘故原由，，，，，，，对其因素优化始终在研究中。。。。。Cheng等[28]以钇溶胶黏结剂并在Y₂O₃粉末中混淆YF3、B₂O₃和Al₂O₃+ZrO2制备了陶瓷型壳，，，，，，，研究其与Ti-45Al-2Mn-2Nb0.2B合金的界面反应，，，，，，，发明反应界面厚度均低于10μm。。。。。张有为等[29]研究了Y₂O₃陶瓷型壳界面反应机理，，，，，，，指出Y₂O₃化合物在熔融TiAl合金液的高温作用下，，，，，，，剖析天生O原子和Y原子，，，，，，，O原子扩散至合金中引起了扩散型反应，，，，，，，反应的举行受温度、型壳外貌形貌、浓度、活度和因素等影响，，，，，，，若温度较高，，，，，，，与TiAl合金液接触较好的显微区域反应就较量强烈。。。。。

在低本钱制造的推动下，，，，，，，Al₂O₃因其自身高铝含量降低了TiAl合金的活性和对O元素的固溶度，，，，，，，同时具备两者热膨胀系数较为靠近的特点，，，，，，，接纳Al₂O₃作为面层耐火质料可降低因TiAl合金室温塑形较低导致的构件开裂危害，，，，，，，因此Al₂O₃作为面层耐火质料仍有较好的远景。。。。。

4、总结与展望

(1)数值模拟手艺提升钛合金细密铸造手艺能力钛合金细密铸造手艺属于串行工艺，，，，，，，单工序之间的误差往往保存累计和遗传效应。。。。。古板数值模拟手艺仅可对流场和热场举行剖析，，，，，，，用以辅助工艺设计环节，，，，，，，缺乏关于后续工序的集成盘算与协同优化。。。。。随着高通量盘算、机械学习、多目的协同优化等手艺的生长，，，，，，，团结集成盘算头脑，，，，，，，以盘算机仿真模拟与高性能盘算效劳器为基础，，，，，，，快速获取最优铸造工艺为目的，，，，，，，推动古板数值模拟向工艺集成盘算转型。。。。。该平台可接纳数值模拟、试验验证和数据剖析等多种要领；；；；；；支持多作业并行盘算，，，，，，，多用户盘算，，，，，，，跨平台使用；；；；；；实现了自动设计试验计划，，，，，，，作业调理与监控，，，，，，，效果自动提取，，，，，，，近似模子构建、最优计划筛选等功效，，，，，，，以提高钛合金铸造工艺优化的效率、质量和可靠性。。。。。

(2)提升TiAl合金细密铸造手艺应用水平TiAl合金的细密成形手艺是TiAl合金走向应用的主要环节，，，，，，，也是该质料生长的最浩劫点，，，，，，，虽然海内外在TiAl合金熔模铸造手艺上取得了主要突破，，，，，，，可是仍然需要在低本钱制造和增强各个成形工艺的成熟度上加大投入。。。。。正如McQuay和Sikka[30]指出，，，，，，，TiAl合金铸造是一项系统工程，，，，，，，要从构件设计、工艺开发、质量控制和供应链生长等方面举行整体思量。。。。。在工艺立异和质量控制方面，，，，，，，通过热等静压和热处置惩罚等后处置惩罚手艺，，，，，，，显著消除铸件内部孔隙，，，，，，，提升致密度与力学性能，，，，，，，使重大薄壁结构(如发念头叶片)的制造成为可能。。。。。同时，，，，，，，围绕Ti-4822和45XD等典范合金，，，，，，，一连优化因素设计，，，，，，，改善其高温强度、抗氧化性及铸造流动性。。。。。钛铝合金细密铸造手艺的生长，，，，，，，焦点目的是解决该质料室温脆性高、热加工难度大的问题，，，，，，，以知足航空航天领域对高性能轻量化热端部件的迫切需求，，，，，，，进一步拓宽其在高马赫数航空发念头及新一代航行器上的应用远景。。。。。

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（注，，，，，，，原文问题：航空航天用钛及钛铝合金熔模铸造手艺研究希望）