1．鈦合金的鑄造成形

鈦元素在地殼中的儲量僅次于鐵、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用。鈦合金依其應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、氫和碳的反應相當快，因此鈦合金熔煉必須在較高的真空度或惰性氣體（Ar或Ne）保護下進行。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下進行。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，用于形成熔池儲存鈦液，避免了坩堝對鈦合金液的污染。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、真空感應爐等，并獲得一定程度的應用。但從耗電量、熔化速度、成本等技術(shù)經(jīng)濟指標對比來看，自耗電極電弧爐（含凝殼爐）熔煉仍是目前最經(jīng)濟適用的熔煉方法，見表1。

表 1   不同熔煉鈦合金時的指標比較

2．鈦合金的鑄造工藝
   
由于鈦元素的物理-化學特性，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特的要求和特點。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下進行，有時還要附以離心力。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）。鑄型均系機械加工制成。生產(chǎn)的鑄件結(jié)構(gòu)相對比較簡單，尺寸精度較低；一般應用于毛坯件的生產(chǎn)。
 
（2）一次性鑄型   可以生產(chǎn)形狀比較復雜、尺寸精度較高的鑄件。按其造型方法，有搗實石墨砂型和熔模型殼兩種。后者可以制造更為復雜（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，因而型殼強度高，熱導率在三種型殼中最小，適于澆注形狀復雜的薄壁鑄件。
   
用以上三種型殼系統(tǒng)澆注的鈦鑄件，在化學成分和力學性能方面差別很小；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．金屬基復合材料的鑄造成形
   
金屬基復合材料（MMC）被譽為21世紀的材料。由于其很好地結(jié)合了金屬的塑性、韌性和陶瓷的高強度、高彈性模量，從而具有一些引人注目的物理性能和力學性能，比如高的比彈性模量、比強度、耐熱、耐磨以及尺寸穩(wěn)定性等。從經(jīng)濟適用的觀點出發(fā)，陶瓷顆粒增強的MMC材料更受到人們關(guān)注，研究、應用的熱點集中在鎂基和鋁基合金，增強顆粒主要有Al2O3、SiC等。其成形工藝主要有粉末冶金和鑄造兩種。前者由于工藝復雜、成本高、難于制造大尺寸件及復雜件，所以很難在生產(chǎn)中獲得廣泛應用。采用鑄造法成形顆粒增強型金屬基復合材料具有工藝簡單、成本低，對尺寸和形狀沒有限制，可大批量連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，因而具有廣闊的發(fā)展及應用前景。
   
顆粒增強型金屬基復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合材料，陶瓷顆粒尺寸可小到10μm，增強相的體積分數(shù)可達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。前者是利用機械裝置或惰性氣體作為壓力媒體將金屬熔體浸漬滲透進多孔的陶瓷預制塊中，可制備體積分級高達50％的復合材料，此方法已被廣泛應用。后者是在氮氣氣氛下不需施加任何壓力合金熔體就能良好地浸透陶瓷粉末預制塊中，可制備體積分數(shù)高達55％的復合材料。
   
3. 擠壓鑄造法
   
此方法先從機械攪拌法制備復合漿料，然后將液態(tài)復合漿料倒入擠壓模（需預熱）內(nèi)，起動液壓機，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，一邊加入陶瓷顆粒，實現(xiàn)均勻混合以后澆注成形。也可將陶瓷顆粒制成預制件，澆入液體金屬后，施加超聲進行熔體浸滲。該方法可在極短的時間里（數(shù)十秒）實現(xiàn)顆粒的均勻分布。
   
5．流變鑄造法
   
此法是對處于固液兩相區(qū)的熔體施加強烈的攪動形成低粘度的半固態(tài)漿液，同時引入陶瓷顆粒，利用半固態(tài)漿液的觸變特性分散增強相，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：增強陶瓷顆粒不是外加的，而是在制備過程中通過化學反應在原位生成。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)生化學反應，生成一種或幾種陶瓷增強顆粒，然后通過鑄造成形獲得由原位顆粒增強的金屬基復合材料。
   
金屬基復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)化前景的是機械攪拌鑄造法。因為其工藝簡單、成本低，對熔體及增強顆粒的種類幾乎沒有限制，具有廣泛的適應性。但要真正實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還需解決以下幾個問題：顆粒微觀分布的均勻性；金屬基體與增強顆粒之間的界面反應與控制；組織與性能和穩(wěn)定性等。