钛合金铸造过程中气孔缺陷的成因及控制方法

钛合金凭借高强度、低密度、耐腐蚀等优异性能，在众多关键领域占据重要地位。然而，铸造过程中的气孔缺陷严重制约其性能发挥与应用拓展。深入探究气孔成因并寻求有效控制策略，对推动钛合金铸造技术发展、保障产品质量意义重大。

一、检查钛合金铸造过程中气孔缺陷的重要性

在现代航空航天、生物医疗等高精尖领域，钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性强、生物相容性好等优异性能而被广泛应用。然而，气孔缺陷作为钛 最常见的缺陷类型之 ，不仅会降低铸件的致密度与力学性能，还可能导致部件在服役过 7车 问题 严重威胁产品的可靠性与安全性。例如，航空发动机叶片中的微小 性失效；骨科植入体中的气孔则会影响其长期稳定性与生物活性。因此， 效的检测与控制方法，对保障钛合金铸件质量、提升产品服役性能及推动相关 有重要的理论价值与工程意义。

二、钛合金铸造气孔缺陷的成因分析

2.1 原材料及熔炼过程气体引入

原材料含气：钛合金主要原材料海绵钛、中间合金等，因其高活性特质，在储存和运输环节极易吸附环境中的水分、氧气、氮气等气体。以海绵钛为例，其疏松多孔的微观结构使其比表面积较大，在潮湿环境中，表面会快速吸附水分子，这些水分在1668℃以上的钛合金熔炼温度下迅速分解为氢气与氧气。根据西华大学的研究数据，当海绵钛表面水分含量超过0.1%时，铸件中氢气孔出现概率提升约35%。此外，中间合金中的某些微量元素（如硼、铝）在与气体结合后，会形成高熔点化合物，进一步阻碍气体排出，加剧气孔形成。

熔炼设备及环境影响：钛合金熔炼通常采用真空自耗电弧炉（VAR）或电子束冷床炉（EBCHM），若设备真空系统故障导致真空度低于10⁻ ²Pa，大气中的氧气、氮气将迅速扩散至钛合金液表面。据中国航发材料研究院测试，当真空度下降至10⁻ ¹Pa 时，钛液中氧含量在5 分钟内可从 0.15%增至 0.3% 。此外，未充分干燥的石墨坩埚在高温下与钛液发生C-Ti 反应，生成CO、CO₂气体；而潮湿的取样工具浸入钛液时，瞬间气化产生的气体量可达干燥状态的数十倍。

2.2 铸型材料的影响

铸型透气性：铸型材料的孔隙结构直接决定气体排出效率。传统树脂砂铸型在800℃以上时，砂粒间粘结剂碳化收缩，使原本 0.5mm 的孔隙率下降至0.1mm 以下，导致气体流动阻力激增。对比实验表明，采用透气性指数为150 的铬铁矿砂替代树脂砂，铸件气孔率可从8.2%降至 2.3% 。此外，砂型紧实度过高（超过 95%) ）时， 体通道被压缩，即使高透气性材料也难以避免气孔缺陷。

铸型材料发气：酚醛树脂等有机粘结剂在600-1000℃温度区间会发生剧烈热解反应，每克粘结剂完全分解可产生约300mL 的CO、CH₄等气体。美国航空航天局（NASA）的研究指出，当铸型中粘结剂含量超过3%时，铸件内部气孔数量呈指数级增长。而部分无机铸型材料（如水玻璃砂）虽不产生碳氢气体，但高温下结晶水的汽化（每克水蒸发产生1670mL 蒸汽）同样可能引发气孔问题。

三、钛合金铸造气孔缺陷的控制方法

3.1 原材料预处理与熔炼工艺优化

原材料净化：对钛合金原材料进行严格的质量检验和预处理是减少气孔的基础环节。以海绵钛为例，其表面极易吸附水分和气体，通过在真空环境下以400-500℃烘烤4-6 小时，可有效去除物理吸附的 H₂ O 和 O₂；对于中间合金，采用电子束重熔或真空电弧重熔精炼处理，能够将氮、氢、氧等气体杂质含量分别控制在≤50ppm、≤15ppm、≤1200ppm。此外，在原材料储存环节，需采用密封防潮的真空包装，并在氮气保护的干燥环境中运输，避免二次污染。

优化熔炼工艺：熔炼设备的真空度直接影响气体吸入量，现代钛合金熔炼通常要求真空度达到 10⁻ ³-10⁻⁴Pa。在熔炼过程中，需严格控制温度曲线，例如 TC4 合金熔炼温度应控制在1650-1700℃，熔炼时间不宜超过2 小时，防止因高温长时间停留导致钛与坩埚材料反应生成气体。在熔炼后期，采用惰性气体（如氩气）以0.5-1.0L/min 的流量进行搅拌除气，通过气泡上浮原理有效去除合金液中的溶解气体。

3.2 铸型材料选择与处理

选择合适的铸型材料：铸型材料的透气性和发气量是影响气孔形成的关键因素。特种陶瓷型（如氧化钇基陶瓷）具有 10⁻ ⁶ -10⁻ ⁷ cm²的低透气率和低于 10ml/g 的发气量，能显著减少气体侵入；干砂型配合酚醛-脲醛树脂粘结剂时，通过添加硼酸等抑制剂，可将发气量降低 30%-40% 。对于有机粘结剂，新型环氧树脂基低发气粘结剂在800℃热分解时的气体释放量仅为传统呋喃树脂的1/5。

铸型预处理：铸型干燥需分阶段进行，首先在 100-120℃低温干燥4-6 小时去除自由水，这一阶段水分以液态形式蒸发；再升温至200-250℃保温2-3 小时去除结晶水，结晶水需更高温度才能打破化学键释放出来，确保残余水分含量低于 0.1% 。在铸型表面涂覆 3-5 层锆英粉-硅溶胶耐火涂料，涂层厚度控制在 0.3-0.5mm ，每层涂料涂覆后需在 80-100℃下干燥 1-2 小时，确保涂层充分固化。涂层中锆英粉颗粒紧密堆积，硅溶胶填充孔隙，形成致密的气体阻隔层，有效阻断气体通道。经扫描电镜观察，完整的涂层结构能使气体渗透率降低90%以上。

3.3 浇注工艺改进

合理控制浇注温度：浇注温度需根据合金成分和铸件结构精确设定，例如Ti-6Al-4V 合金薄壁铸件的浇注温度宜控制在 1580-1620℃，厚壁铸件则可 薄壁铸 件散热快，较高的浇注温度可保证充型完整；而厚壁铸件散热慢，较低温度能 监测浇包内合金液温度，配合PID控制系统将温度波动范围控制在± ℃以内。通过降 可使气体在合金液中的溶解度下降约 20%-30% 减少气孔形成风险。根据西华大学的研究，当Ti-6Al-4V 合金浇注温度从1650℃降至1600℃时，铸件气孔率从3.2% 下降至 1.8% 。

优化浇注速度：针对复杂结构铸件，采用分段式浇注策略：充型初期以 0.1-0.3m/s 的低速平稳导入，避免紊流；型腔填充至60%-70%时提速至 0.5-0.8m/s ，确保快速充型；接近浇满时降速至 0.2-0.4m/s ，防止金属液飞溅卷气。同时，采用电磁泵或气压式浇注系统实现恒流控制，将浇注速度波动控制在±5%以内，显著降低气孔缺陷发生率。在航空发动机叶片铸造中，采用分段式浇注配合电磁泵浇注系统，气孔缺陷率从传统工艺的12%降至4%，有效提升了铸件质量。

结语：

钛合金铸造过程中的气孔缺陷是影响铸件质量的关键因素，通过对其成因的深入分析可知，原材料及熔炼过程气体引入、铸型材料影响、浇注工艺不合理等是主要原因。针对这些成因提出的原材料预处理与熔炼工艺优化、铸型材料选择与处理、浇注工艺改进等控制方法，在实际生产应用中取得了良好效果。

参考文献：

[1]郭瑞鹏.钛合金粉末热等静压成型工艺研究[D].东北大学,2018,

[2]宋春男.电子束选区熔化成形 Ti-6Al-4V 合金薄壁件组织性能研究[D].东北大学,2016,