【引用格式】
李珅,徐志锋,张守银,等.钛合金砂型铸造工艺研究进展[J].特种铸造及有色合金,2023,43(12):1 598-1 606.
LI S, XU Z F, ZHANG S Y, et al, Research progress in sand casting process for titanium alloy[J].Special Casting & Nonferous Aloys,2023，43(12):1 598-1 606.
钛和钛合金因其比强度高、密度低、热导率低、抗高温氧化能力强和优异的耐腐蚀等性能被广泛应用于现代国防、航空航天、海洋船舶、化工设备等制造领域中，尤其是在航空航天工业领域中极其重要，被誉为正在崛起的“第三金属”、“智能金属”，是重要的战略金属材料。随着装备制造领域的快速发展，对钛合金关键零部件的尺寸精度、可靠性以及本体性能的要求日益严苛。近年来，为适应钛合金铸件复杂、薄壁、及精密化的研制需求，钛合金石墨型铸造、金属型铸造、熔模精密铸造、砂型铸造等工艺得到了不断改进与发展，但各自仍存在一定的局限性。其中，石墨铸型激冷能力强，熔融钛液在石墨铸型中冷却速度较快，造成浇不足、冷隔、流痕、微裂纹等缺陷,而且铸件表面还会存在严重的渗碳现象，对钛合金铸件表面产生严重影响，很大程度上限制了钛合金石墨型铸造技术的进一步发展。钛合金金属型铸造中金属铸型无透气性，型腔中气体在金属液充填时无法有效排出，会形成气阻，造成浇不足，气体侵入铸件而造成气孔，极大地影响了铸件的性能。而且金属铸型往往还要配合耐火涂料使用，试验条件严苛，国内外关于钛合金金属型铸造研究也鲜有报道。另外，由于钛合金的流动性较差，一般需要采用外力辅助的离心铸造或反重力铸造技术，其中离心铸造可以增加钛合金熔体的充型能力，因此大部分高性能的钛合金精铸件都是采用熔模精密铸造结合离心铸造技术生产的。作为一种先进的近净成形工艺，钛合金熔模精密铸造工艺主要被用于生产航空航天领域所需的复杂薄壁精密铸件，航空航天工业中用的钛合金铸件98%以上都是熔模精密铸造的。典型的小尺寸精密铸件和飞机机体用精密铸件等，表现为铸件尺寸精度高（100±0.1mm）、表面粗糙度可达Ra 3.2~6.3 μm，铸件性能优异，这也奠定了熔模精密铸造在钛合金铸造中的主导地位。图1a为通过熔模铸造制备的小型钛合金精密件，图1b为北京航材院通过熔模精密铸造技术研制的某飞机机体用薄壁ZTC4合金铸件。
(a) 熔模铸造制备的钛合金小型精密件; (b)飞机机体用薄壁ZTC4合金铸件
图1 熔模铸造制备的钛合金小型精密件和飞机机体用薄壁ZTC4合金铸件
然而，钛合金熔模铸造工艺在模料、模样制备、面层耐火材料和粘结剂选择方面还存在着一定的技术问题，尤其是制备周期长、工艺流程繁琐，铸件尺寸不能太大，铸件冷却速度较慢等，这不仅会增加钛合金铸件的生产成本，还会限制钛合金的进一步应用，因此有必要发展其他的钛合金铸造方法。
相比于熔模精密铸造，钛合金砂型铸造具有可制备大型铸件以及成本低、效率高等优势，目前实际工程上有取代部分精密铸造铸件以及从简单铸件到复杂铸件制备的需求。但是目前钛合金传统砂型铸造依然存在一定的局限性，这是因为熔融的钛合金具有很高的化学活性，几乎可以与所有的耐火材料反应，熔融钛与铸型的相互作用会使铸件表面形成污染层，极大的影响铸件的表面质量和性能。而且传统砂型铸造方法难以快速制备复杂异形整体砂芯，并且也无法保证铸型的尺寸精度，这些技术问题限制了钛合金砂型铸造的发展。因此，开发一种制造成本低、生产周期短、尺寸精度高的钛合金快速制造成形工艺成为关注的焦点。3D打印技术直接制备砂型/芯可以节约时间、降低成本，且不受零件的复杂程度的限制，因此将3D打印制备复杂砂型及砂芯技术应用在钛合金铸造中吸引了广泛关注。
南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室联合中国航发北京航空材料研究院、北京百慕航材高科技有限公司研究团队在2023年第43卷第12期《特种铸造及有色合金》发表了题为“钛合金砂型铸造工艺研究进展”的文章，文章指出钛合金具有密度低、比强度高、抗高温氧化能力强以及良好的耐腐蚀性能，在现代国防、航空航天、海洋船舶、化工设备等领域得到了广泛应用，尤其在航空航天工业领域，是重要的战略金属材料。装备制造领域的不断发展对钛合金铸件的性能要求越来越高，且钛合金铸件结构也呈现薄壁、复杂及精密化趋势。因此，发展新型的钛合金快速铸造技术成为了当前的关注热点。主要综述了钛合金传统砂型铸造技术现状以及基于3D打印的新型钛合金快速砂型铸造技术的工艺发展，并指出了相应存在的问题及其未来应用前景。
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钛合金传统砂型铸造工艺现状
砂型铸造作为铸造工艺中应用最广的工艺方法，相对于制作周期长、铸造尺寸受限的熔模精密铸造，砂型铸造更适合于制备中大型厚壁铸件，且其成本低、生产灵活性大，适用范围广，更为环保、经济。目前，钛合金砂型铸造所采用的铸型耐火材料有锆英砂、铝矾土砂、莫来石、石英砂等，结合水玻璃、硅酸乙酯、硅溶胶等高温粘结剂，同时在耐火材料中添加不同辅助材料，以提高砂型铸型的品质，极大地推动了钛合金砂型铸造的发展。然而，由于钛合金金属液非常活泼，在钛合金的熔炼与浇注过程中极易与常规铸型耐火材料发生不同程度的交互反应，影响了铸件的表面品质。因此，钛合金浇注用砂型/芯必须严格控制其发气量大小以及涂层惰性化，且需要一定的高温强度。目前制备钛合金铸造用砂型/芯的难点在于砂型/芯在烘烤温度800 ℃以上时，整体强度较低，无法进行耐火涂层的焙烧，尤其是不能满足钛合金因流动性较差，所需的外力辅助浇注（如真空离心浇注、低压浇注等）所需的强度要求。所以，钛合金砂型铸造工艺对造型用耐火材料、砂型/芯表面涂覆的涂料和砂型强度均有很高的要求。目前国内外对于钛合金砂型铸造工艺的研究较少。
锆砂(ZrSiO4)是常用的钛铸造耐火材料之一，具有熔点高、良好的流动性、相对较高的电导率和更好的尺寸稳定性。目前锆砂模具已广泛应用于铸铁和其他有色金属铸造领域，对厚壁优质铸件有良好的效果。研究发现，水玻璃粘结剂锆砂砂型，具有一定的高温强度和良好的溃散性，不仅能够承受高温熔融钛的冲击作用，而且钛熔体与砂型间界面反应较弱，得到的铸件表面的富氧层较少，因此是一种比较好的钛合金砂型铸造方法。此外，增加锆砂中ZrO2的含量，能有效减少钛铸件表面的污染。图2为手工捣实制备的水玻璃粘结剂锆砂铸型和浇注得到的典型钛合金铸件。MCDEAVITT S M 等选用锆砂和橄榄石砂作为耐火材料，以膨润土为粘结剂，采用捣实特种砂型工艺，成功制备出砂型浇注的钛合金铸件。图3为两种不同砂型浇注的钛合金铸件。可以看出，铸件表面品质良好无明显缺陷。结果表明，橄榄石砂型仅适合用来生产小型铸件，而锆砂砂型可以用于浇注大型钛合金铸件，这表明锆砂是一种非常具有开发前景的钛合金铸型材料。
(a)水玻璃粘结剂锆砂铸型; (b)浇注的典型钛合金铸件
图2 水玻璃粘结剂锆砂铸型和浇注的典型钛合金铸件
(a)锆砂砂型浇注的钛合金铸件; (b)橄榄石砂型浇注的钛合金铸件
图3 两种不同砂型浇注的钛合金铸件
王峥、吴东辉在BT20钛合金砂型铸造与熔模铸造的对比研究中，选用锆英砂作为耐火材料，水玻璃为粘结剂，结合ZrO2涂料为惰性涂层，制备了锆英砂砂型；选用ZrO2陶瓷型壳结合复合粘结剂制备熔模型壳，最后进行锆英砂砂型和熔模型壳的钛合金浇注试验，均成功浇注出阶梯板状BT20钛合金铸件，并着重研究了不同壁厚和不同热处理方式对阶梯板状钛合金铸件的界面反应、组织和力学性能的影响。结果发现，相比于熔模型壳，结合ZrO2涂层的锆英砂铸型表面扩散反应层厚度最小，且锆英砂砂型中的BT20钛合金散热条件优于熔模型壳，因此得到的钛合金铸件组织也更为细小。同时，锆英砂型铸造BT20合金铸态下强度较熔模铸造BT20合金高，在壁厚10 mm处，二者抗拉强度相差42.4 MPa，这说明在某些情况下砂型铸造能有效弥补熔模铸造的不足。郭迎庆等研究了一种钛合金铸造用覆膜锆砂砂型的制备方法，该发明选取化学性质稳定、耐高温的硅酸锆粉末作为耐火材料，再搅拌混合树脂、偶联剂、六亚甲基四胺水溶液，在制备的砂型铸型表面渗透喷涂一层氧化钇与钇溶胶混合液,防止因熔融钛具有很高的化学活性导致铸造成形时极易与锆砂铸型材料发生界面反应产生缺陷。该方法制备的铸型具有较佳的机械性能,存在较高的生产价值，最终浇注出的钛合金铸件表面平整，尺寸精度高，金属成形性优良。但国内目前还缺少后续的相关实际工程应用报道。
除锆砂外，铝矾土和莫来石也可以用于钛合金砂型铸造的耐火材料。*强肖**伟等选用耐火度较高的铝矾土混合物作为耐火材料，配合硅溶胶无机粘结剂，制备特种砂型铸型，并选用氧化钇料浆作为耐火面层材料，对铸型工作表面进行喷涂处理，以提高铸型表面惰性和抗热冲击性能，最终成功浇注出成形完整，表面品质好、化学成分和力学性能均满足指标的大型钛合金泵体铸件。但铸件尺寸存在一些偏差且铸件内部存在少量缩孔，还需经过热处理工艺、热等静压技术或其他组合后处理工艺来提高铸件品质。整体上来说，该砂型铸造工艺可以适用于大型钛合金铸件的制造。图4为钛合金泵体铸造用砂型铸型。
(a)外模铸型 (b)砂芯 (c)外模砂芯配合 (d)砂型铸型装配
图4 钛合金泵体铸造用砂型铸型
王涛亮等以莫来石为主要造型材料、以惰性材料作面层材料制备复合砂型，用真空凝壳炉熔炼浇注，成功制备钛合金壳体铸件。结果表明，铸件表面无化学粘砂，经X射线检查发现，铸件内部无裂纹、夹渣缺陷。铸件的化学成分、力学性能均达到标准要求。该工艺与石墨型铸造工艺相比，铸件表面和内部品质得到明显改善，铸造成本降低近50%。图5为浇注钛合金用的砂型/砂芯实物图和浇注后铸件实物图。
（a）砂型/砂芯实物图;（b）浇注后铸件实物图
图5砂型/砂芯实物图和浇注后铸件实物图
很明显，钛合金砂型铸造可成功浇注出成形完整，表面品质好、化学成分和力学性能均满足指标的大型钛合金铸件，钛合金砂型铸造与熔模铸造表现出较好的互补性。通过采用更多的耐火材料种类和发展改性硅溶胶、磷酸盐等高温无机粘结剂，同时更具经济性，钛合金砂型铸造将成为钛合金铸件的主要铸造方法之一。
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基于3D打印的钛合金快速精密铸造技术
随着铸造行业的转型发展，3D打印技术已经可以成熟应用于制造铸造用砂型。目前快速砂型的主要制造工艺有激光选区烧结(Selective Laser Sintering，SLS)和三维打印(Three Dimensional Printing，3DP)。通过3D打印技术直接成形铸造砂型砂芯可节约时间、降低成本，具有无模制造、响应速度快、设计自由度大、可制备任意复杂形状，砂型与砂芯整体一体化制造，以及成形砂型的尺寸精度高等特点。砂型经过处理后可直接浇注金属液，可以快速得到所需铸件，显著提升了复杂铸件的快速制造速度和水平。将3D打印制备复杂砂型及砂芯技术应用在钛合金铸造中，能减少很多繁琐的步骤且不需要特定的模具和其他辅助工具，已逐步发展成复杂结构铸型制备的一种重要手段，且与普通的砂型铸造具有很好的互补性，具有较好的工程意义和科学研究价值。
2.1 基于SLS的钛合金砂型铸造技术
激光选区烧结(SLS)技术是高端制造领域普遍应用的技术。通过SLS技术直接成形砂型砂芯，具有响应速度快、制造周期短、灵活性高、稳定性好、砂型与砂芯一体化制造及可制造出任意复杂形状等优点，能大幅提升大型复杂铸件的快速试制和制造水平，该技术在航空航天及汽车等领域解决一些关键铸件的生产展现出巨大潜力，其工作原理见图6。首先通过专用软件对零件的三维CAD模型进行分层切片处理，生成STL文件，文件中保存着各层截面的轮廓信息。然后采用铺粉装置将粉末材料平铺在工作台上，再利用激光束的热作用，根据轮廓数据对目标区域内的粉末进行烧结，每烧结完一层后工作台根据截片厚度下降相同高度，铺粉筒将粉末铺平后继续下一层扫描，未扫描到的地方则是松散的粉末并起到支撑和保护作用，如此反复层层烧结直至最终完成，经过清粉、修磨、后处理等工艺即获得所需制件。相比于3DP工艺，SLS工艺能使用更多种类的材料，利用率和成型精度也比大部分3DP打印技术要高。
图6 SLS工作原理图
CAREY S R P R等将覆膜砂作为烧结材料，并直接将覆膜砂材料通过SLS技术制备铸造用砂型/芯。美国DTM公司最先开发出了酚醛树脂覆膜砂材料，并成功将其用于SLS覆膜砂型/芯成型，已用于航空、汽车工业领域等复杂铸件的生产。孙忠良等使用EOSINT S700系统制造的树脂砂型，也已用于复杂铸件的生产。此外，国内外学者在基于SLS的快速砂型制造的工艺参数上也做了大量研究，如通过调控不同激光功率、扫描速度和光斑直径等SLS工艺参数以及不同后处理的工艺参数，从而获得表面品质好，性能满足浇注要求的砂型/芯，推动了SLS技术在无模快速铸造领域的发展。目前，SLS成形砂型/芯技术还主要应用在铸铝、铸钢及铸铁等材质的零件生产。史玉升等利用覆膜树脂硅砂直接烧结砂型/芯，成功浇注出摩托车气缸体、汽缸盖和涡轮等铸件。王鹏程等以轮形铸件为例“反求”精铸型壳模型，对直接烧结的覆膜树脂砂型后处理，最终成功浇注了铸铝、铸铁和铸钢件，为单件、小批量复杂铸件生产提供了一种快速、低成本的数字化先进制造方法。杨劲松等通过对比分析多种铸造工艺方法，最终选用SLS成型技术直接制备出复杂液压阀体的砂型/芯，并成功浇注出内腔流道光滑且尺寸合格的阀体铸铁件。梁小文等采用选区激光烧结直接制备其整体砂芯，并采用低压铸造成形，获得了冶金品质好的复杂曲面油箱接管铝铸件，实现了薄壁铝铸件油管的精密砂型快速铸造，满足了使用要求。李偲偲等研究了基于SLS覆膜砂型砂芯的镁合金快速铸造工艺，通过在覆膜砂中加入阻燃剂抑制了镁合金在浇注时的氧化燃烧，实现了镁合金铸件的近净成形，推动了利用覆膜砂进行SLS成形技术在镁合金铸造领域的应用。图7为适用于SLS技术的不同粒度搭配的超细砂和采用SLS技术制备的结构复杂的典型一体化砂型砂芯。可以看出，打印的砂型与多个砂芯一体化组合，不仅能实现砂型内部的精确定位，还能保证整个砂型的尺寸精度。
(a)适用于SLS技术的不同粒度搭配的超细砂；(b)SLS制备的一体化复杂砂型及砂芯
图7适用于SLS技术的不同粒度搭配的超细砂和SLS制备的一体化复杂砂型及砂芯
相比于传统造型技术，目前SLS制备砂型/芯大部分都是采用石英砂与有机粘结剂的逐层打印快速成形，故制备的砂芯初强度偏低、树脂含量高，经后固化处理的砂型/芯发气量大，砂型热强度不高，而且由于熔融钛具有很高的化学活性，铸造成形时极易与常规铸型材料发生界面反应，导致钛铸件表面产生较厚的氧化层、黏砂、表面夹杂及气孔等一系列的铸造缺陷，因此SLS制备砂型/芯难以直接浇铸高温化学性质活泼的钛合金，这些因素限制了SLS覆膜砂型/芯在钛合金铸造中的应用。钛合金铸造用砂型/芯应具有较高热强度、较低的膨胀系数以及较高的化学惰性，以保证钛合金铸造过程不至于发生铸型严重开裂，同时防止化学活性较高的熔融钛合金与耐火氧化物发生剧烈的化学反应。因此，研究适合于钛合金铸造的SLS用的砂型材料和制备工艺，对于推广SLS快速成形技术在钛合金铸造领域的应用有着重要作用。
为了更好的解决一些复杂钛合金关键铸件的制备问题，国内外学者进行了大量基于SLS技术的钛合金铸造用砂型/芯的无机粘结剂浸渗和焙烧工艺研究。如美国Texas大学利用SLS技术烧结包覆有共聚物的覆膜锆砂制备砂型，并成功浇铸出了航空用钛合金零件。HARLAN N等选用氧化锆粉末与共聚物混合作为耐火材料，采用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯混合液（摩尔比为80:20）对氧化锆粉末进行覆膜，其中粘结剂含量占氧化锆粉末质量的30%，并采用烧结层厚为127 μm、激光扫描间距为76 μm、烧结速度为40. 6cm/s、激光功率为5 W的工艺进行SLS砂型制备。对制备后的砂型进行锆溶胶的浸渗和烧结，在500 ℃条件下使黏结剂发生裂解，然后进行1 500 ℃×10 h的高温烧结处理。图8为SLS氧化锆+体积分数30%共聚物条件下制备的试样经烧结后的形貌和浸渗锆溶胶并经过高温焙烧后的砂型形貌。从图8a可以看到，大部分砂粒表面附着粘结剂，并通过砂粒间的粘结颈聚合，从而具备一定的强度，从图8b可以看到，试样在经过1 400 ℃×8 h高温焙烧后，共聚物黏结剂烧蚀，浸渗锆溶胶在氧化锆颗粒间形成桥接，取代共聚物形成的桥接，从而提高了砂型的强度。图9为制备的砂型模具及浇注后的钛合金铸件。可以看出，得到的钛铸件表面品质较好，性能满足要求。该工作证明了通过激光选区烧结技术生产复杂形状的钛合金铸件用砂型，具有一定的可行性，且不需要特定的模具或辅助工具蜡模。
（a）SLS烧结后（氧化锆+体积分数30%共聚物）砂型形貌；（b）氧化锆+浸渗氧化锆
图8 SLS烧结后（氧化锆+体积分数30%共聚物）砂型形貌和氧化锆+浸渗氧化锆
（a）髋关节铸件及砂型；（b）髋关节铸件及吹砂后的髋关节铸件
图9制备的砂型模具及浇注后的钛合金铸件
赵开发、梁小文等选用锆砂为原砂材料，酚醛树脂为粘结剂，通过结合SLS和钛合金砂型铸造的特点，快速制备了覆膜锆砂砂型，并选用Y2O3制备涂层进行纯钛的SLS锆砂砂型浇注试验。图10为其浇注的纯钛铸件表面宏观图和SEM图，最终得到的钛铸件轮廓清晰、表面品质较好，呈光亮灰黑色。从图10b可以看出，铸件表面仅局部有凹坑及球状凸起，界面反应层仅约3 μm，初步探讨了SLS锆砂砂型表面与钛合金铸件的界面反应机理，表明SLS砂型浇注钛合金金属的可行性，但其相关研究仅围绕着单一粘结剂展开研究，缺少对无机粘结剂和其他耐火材料如硅砂、宝珠砂等在覆膜砂领域的研究。而且该研究还仅停留在制备简单小件的实验室阶段，成本太高，若要浇注大型复杂钛合金铸件还需进行进一步深入研究。
（a）铸件表面宏观图；（b）铸件表面SEM显微图
图10 SLS制备的砂型浇注的纯钛铸件表面SEM形貌
梁培、朱佩兰对基于SLS的双粘结剂覆膜砂也展开过相关研究，发现单独以磷酸二氢铵粉末作为无机粘结剂，提高其含量及改变SLS烧结工艺参数均无法使颗粒粘结成形。而在树脂含量2%的覆膜砂中，添加少量的NH4H2PO4可大幅降低覆膜砂的发气量。在双粘结剂条件下，将后处理温度增加到210 ℃时，其固化强度可达到2.02 MPa，可充分发挥树脂和磷酸二氢铵的粘结性能。但试验中未对制备的砂型进行高温焙烧，无法保证其具有较好的高温强度和制备的砂型能否成功应用于钛合金铸造。进一步研究结果表明，将原砂、覆膜砂与一定含量的不同无机粘结剂及偶联剂等其他辅助材料充分混合后制备标准试样或简单铸型，经过低温和高温焙烧（＞1 000 ℃）后，试样和铸型还能有较高的强度（3 MPa左右）且表面质量较好。与此同时，对添加某种辅助材料并经过后固化的覆膜砂标准试样进行无机粘结剂的真空浸渗，经过充分自干并高温焙烧（＞1 000 ℃）后，试样同样具有一定的强度且试样表面质量较好。试验结果表明，在高温条件下无机粘结剂取代有机粘结剂从而为砂型提供高温强度，铸型强度满足钛合金浇注要求。图11为经过高温焙烧后的不同工艺试样和简单铸型。
（a）无机粘结剂A宝珠砂试样；（b）真空浸渗无机粘结剂B的覆膜砂制样
（c）覆膜砂与无机粘结剂C充分混合制备的简单铸型
图11 经过高温焙烧后的不同工艺试样和简单铸型
2.2 基于3DP的钛合金砂型铸造
3DP三维打印黏结成型、喷墨沉积，也被称为粘合喷射（Binder Jetting）、喷墨粉末打印（Inkjet Powder Printing）。该工艺属于“液体喷印成型”这一大类。上世纪90年代末，EDERER I等发明了喷墨砂型3D打印技术。该技术主要用来研发高端铸造产品和复杂单件的小批量制造。喷墨砂型3D打印（3DP）也被称为喷墨粉体粘结3D打印技术，是一种砂型/芯数字化无模制造新技术，相比于激光选区烧结工艺，该技术效率高，透气性好，成本低，可以和传统树脂砂铸造工艺完全兼容。另外，相比于传统铸造模式，喷墨砂型3D打印技术简化了铸造工艺流程，缩短了产品生产周期；制备的砂型具有强度高、结构复杂、存放时间长、溃散性能优良等特点，从而降低生产成本。喷墨砂型3D打印的工作原理见图12。系统先在工作台上铺一层粉（预混好固化剂的砂粒）；喷墨打印头根据CAD数据生成的截面形状在粉床上喷出粘接剂，打印出一个截面；工作台面一个层厚（砂型层厚0.2~0.4 mm）；然后系统不断重复上述步骤，直到完成所有截面的打印；最后固化的砂型从工作缸中取出，去除未固化的多余粉末，得到最终所需的砂型。
图12 喷墨砂型3D打印的工作原理示意图
目前，国内外3DP工艺广泛应用于生产铝合金、铸钢、铸铁件，SHANG G H等 、KANG J等提出了一种壳桁架砂模铸型，并通过粘结剂喷墨3D打印技术制备。该壳桁架砂模将砂壳与支撑、加固砂桁架结构相结合，可以在模具的特定位置调整冷却条件，可以实现铸件的快速均匀冷却，提高生产效率，减少铸件的变形和残余应力。此外，壳桁架砂模所需的砂量相比于传统砂型铸型减少了⅔，最终浇注得到合格的A356铝合金铸件。杨永泉等通过喷墨3D打印工艺，成功试制出四缸发动机铸铁缸体铸件，且铸件质量满足要求，砂型溃散性能优良。
但是该工艺在钛合金铸造领域还有一定的技术难题，主要是因为喷墨3D工艺大多采用有机粘结剂，浇注高温钛液的过程中会产生很大的发气量，因此无法直接进行浇注，而且喷墨3D打印的砂型/芯高温性能较差，无法保证在对砂型涂覆耐火涂层并进行高温焙烧后还能有一定的强度。造成喷墨3D打印的砂型应用于钛合金铸造还有特别大困难的另一个原因是熔融状态下的钛合金非常活泼，钛合金金属液会和除惰性气体外的其他气体如氧气、有机物汽化气体等发生剧烈反应，甚至发生爆炸，同时钛合金金属液也会和铸型表面发生不同程度的反应，形成界面污染层，极大影响钛合金铸件的表面质量和性能，这些因素极大的限制了基于喷墨3D打印技术钛合金铸造工艺发展。为了解决发气量问题和提高砂型高温强度，国内外学者对无机粘结剂的喷墨砂型3D打印工艺展开了多项研究。RAMAKRISHNAN R等研究了一种基于无机硅酸钠粘合剂体系的喷墨砂型3D打印工艺，通过对其粘结机理的探究发现，砂粒之间的硅酸钠粘合剂首先经过初步水解，水解后的粘性粘结剂可以润湿周围的砂粒，形成粘结桥，也可以通过物理脱水硬化。水解和硬化过程的特性显著地影响了打印制件的性能，也可以通过改变喷墨砂型3D打印工艺参数来调整这些特性。MEET U等、MITRA S等在对喷墨砂型3D打印技术研究中发现，降低烧结层的厚度和增加黏结剂含量能够提高砂型的拉伸强度，但同时降低了表面质量，层厚效应明显。另外，研究发现固化处理工艺也影响砂型的性能，通过对3DP砂型进行100 ℃×2 h后固化处理，能够有效避免树脂交联衰退、发气量过大以及砂型断裂，从而提高砂型的强度；液相蒸发和粘结剂收缩显著影响透气性，通过质量损失测试可以评估液相蒸发速率，进而分析固结过程中砂型透气性和强度变化机制。邢金龙等研究了一种3D喷墨打印砂型/芯用双组分热硬化无机粉末粘结剂材料，结果表明，用该材料打印生产的砂型发气量较低，强度满足要求，打印生产时挥发性有机物排放量低，对打印头的损伤较小。虽然喷墨砂型3D打印技术在传统金属液浇注过程中的发气量问题和提高砂型高温强度方面得到了有效解决，但要成功将该技术应用于钛合金铸造还需考虑选择合适的耐火材料以及与砂型结合性好且耐高温的惰性涂层，以减少钛合金金属液与铸型间的界面反应。
目前国内外将3DP工艺成功应用于钛合金铸造的报道和工程实际应用较少，RAVI S等选用硅砂为耐火材料，配合呋喃树脂粘结剂，通过3DP打印技术制备了硅砂模具，并涂覆新开发的涂层，浇注钛合金得到了质量合格的钛铸件。结果表明，使用快速成型技术制备硅砂模具并涂覆有效的耐火涂层，如水基氧化铝涂层，可以很大程度上降低熔融钛与铸型间的界面反应，从而减少钛铸件的表面缺陷。这表明将3DP打印技术与钛合金铸造结合的新型快速铸造技术有降低制备钛铸件成本的潜力，并增加其在其他应用领域中的使用可能性。图13为涂覆氧化铝涂层的3DP硅砂模具和浇注的楔形钛铸件示意图。
（a）涂覆氧化铝涂层的3DP硅砂模具；（b）浇注的楔形钛铸件示意图
图13涂覆氧化铝涂层的3DP硅砂模具和浇注的楔形钛铸件示意图
金天拾等提出了一种喷墨粘结三维打印砂型钛合金铸造工艺专利，采用了一种新型的工艺思路,首先对3DP制备的砂型进行真空浸渗形成结合层，经过干燥处理后，再对型腔结合层涂覆惰性材料涂料，形成过渡层和面层，经过高温焙烧后在将烧结的砂型置于真空浇铸机中进行钛合金浇注。该方法不仅能够无模化生产任意复杂度的砂型,还可用于钛合金快速铸造,且钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患,生产效率高、成本低。但该方法对涂料性能要求较高，工程实际应用也较少。
作为一种新型砂型/芯数字化无模制造新技术。喷墨砂型3D打印工艺生产的砂型、砂芯透气性好、砂型强度高，溃散性能好，铸件质量优良，但仍然存在3D打印的材料、及无机粘结剂的种类有限等问题，因此还未能广泛应用于钛合金铸造领域中。若能将硅溶胶、水玻璃等高温无机粘结剂直接应用于喷墨砂型3D打印，并解决打印设备对无机粘结剂的适用性问题，则该技术能在钛合金铸造领域得到极大的突破，具有广泛的推广应用前景。
综上，采用SLS和3DP成形砂型/芯技术来发展钛合金的砂型铸造，在砂型/芯的结构设计自由度、复杂结构制造和整体砂型砂芯等方面，具有显著的优势。但目前3D打印在钛合金砂型铸造中还面临着上述的一些技术问题，还需要进一步的研究。
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展望与结语
随着航空航天、国防军工等领域对钛合金铸件的尺寸和性能要求越来越高，钛合金砂型铸造会成为继钛合金熔模精密铸造后又一种主流钛合金铸造工艺。尤其是在结合3D打印技术之后，基于3D打印技术的新型钛合金快速砂型铸造工艺可以实现快速、复杂及大型精密铸件的铸造，可以在一定程度上弥补钛合金熔模精密铸造的不足，极大的推动了钛合金铸造工艺的发展。但钛合金铸造用砂型砂芯的关键制备技术还有待深入研究。
（1） 从微观角度对型砂材料进行设计，进一步探索其他合适的耐火材料，降低原材料成本；及通过添加新的加工助剂和烧结助剂，调节其加入含量和种类搭配，实现对砂型/芯的性能有效调控；
（2） 多学科合作开发适合于3D打印砂型/芯的无机粘结剂，进一步提高砂芯的室温和高温强度；
（3） 针对目前钛合金用砂型/芯存在的裂纹、开裂、变形等这类问题，可从砂芯后处理--埋砂高温焙烧的特点出发，通过在型砂材料中引入低熔点有机树脂或其它烧结助剂，利用高温焙烧时有机树脂烧蚀形成的孔隙，来改善砂型的透气性和退让性，进而减少甚至避免砂型/芯的开裂、变形，从而获得高尺寸精度、良好表面品质的砂芯；
（4） 重点研究钛合金砂型/芯在低温、高温焙烧过程中耐火材料和粘结剂的显微组织和物相演变规律，解决耐火材料-有机树脂向耐火材料-无机粘结剂转变过程中存在的相互界面粘结强度和砂型变形等控制难题。
（5） 开发适用于大中型砂型/芯的无机粘结剂浸渗工艺与装备，及研制适合于3D打印砂型/芯的惰性耐火涂层，进一步改善减少砂型/芯与钛合金之间的界面反应层。
（6） 针对目前钛合金砂型铸造需高温焙烧工序，开发无需高温焙烧的钛合金砂型铸造技术。
目前，采用传统钛合金砂型铸造方法存在铸型的制作工序仍较繁琐、以及耐火材料和可选的粘结剂种类不多等问题，同时，其制备的钛合金铸件表面粗糙度和尺寸精度与熔模精密铸造相比仍有提升的空间，在一定程度上限制了钛合金铸件的推广和广泛应用。采用3D打印技术直接成形制备钛合金铸造用砂型/芯，具有制备周期短、灵活性高、稳定性好、可一体化制备复杂异形砂型/芯等优点，能有效促进大型复杂铸件的快速试制和提升制造水平，在解决航空航天及汽车等领域一些关键铸件的生产上展现出巨大潜力。因此，进一步开展适合于钛合金砂型/芯的3D打印是今后钛合金铸造发展的方向和研究重点。将3D打印技术和传统铸造方法合理的结合的优势在于：二者互补性好，可以缩短研发周期，实现快速复杂件的试制，以及单件、小批量生产，从而提高生产效率，降低生产成本。二者结合甚至可以局部替代部分熔模精密铸造或其他高精密铸造技术，成为新产品试制、小批量生产的一种主要钛合金成型方法。尤其是对于一些结构复杂的钛合金铸件，3D打印有着绝对的优越性，3D打印将会给钛合金铸造行业的发展带来巨大的推动力。