钛及钛合金具有重量轻、强度高、耐热性强和耐腐蚀等许多优点，在航空、航天、舰船、化工、冶金、电力、医疗器械和体育休闲等领域得到广泛的应用，因而被人们称为“太空金属”“海洋金属”“智慧金属”。
采用3D打印增材制造技术与铸造技术相结合，通过零件的三维模型，无需模具即可快速制造出零件的“蜡模”并快速制造出金属零件，不仅能解决上述问题，而且能实现铸造工艺过程的集成化、自动化、快速化[１]。3D打印快速成形技术的应用，可以实现“设计即生产”，将大大缩短新产品的研发周期，节约研发成本。因此，研究3D打印技术在钛及钛合金精密铸造领域的应用具有重要意义。
目前采用3D打印技术的钛及钛合金精密铸造主要工艺路线如下:(１)利用3D打印机制作树脂模，组树后，再采用熔模铸造工艺，通过制壳、浇铸、清理壳体和后续处理等工序得到精密铸件。(２)采用3D打印技术直接制备精密铸造用陶瓷型壳和型芯，然后将型壳与型芯组合，通过浇注、清理砂壳后得到精密铸件。不过，采用这种技术，打印件在固化时会产生尺寸误差，打印件经过脱脂烧结处理后，尺寸又会发生较大的收缩[２]。其次由于钛金属的活泼性，能满足用于铸造钛铸件的3D打印陶瓷型壳开发难度非常高。
1、制模
传统的制模技术是通过模具得到所需的蜡模，３Ｄ打印快速制模技术以离散/堆积原理，通过切片软件将复杂零件的三维CAD模型按一定方式离散切片成为简单可加工的离散面(二维平面)、离散线和离散点，然后再采用激光烧结或加热的方式将这些离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状。3D打印快速制模技术具有较强的灵活性，该技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批零件的制造问题。
2、组树
根据产品尺寸和结构选择合适的组树方式，将检查合格的3D打印模按照工艺要求组焊到浇注系统上。为了能牢固的组装模型各个部件，我们采用热熔胶枪对各个部件进行粘接，模组焊合处应饱满、圆滑、无虚焊和焊瘤。图４为粘接好的模型。
为了进一步增加浆料的涂挂性，增加浆料与模型的附着力，并提高模型表面光洁度，本工艺在3D打印的模型表面涂挂一层蜡，蜡层厚度0.5mm~0.6mm。
涂挂方法为，把打印好的模型浸入到温度为60℃~70℃蜡液中，取出后翻转转匀蜡液。待蜡液凝固后用刮刀刮掉表面多余的蜡，再用纱布打磨表面，提高表面光洁度，并在挂浆之前再通过洗蜡的方式进一步提高浆料与模型之间的附着力。
3、制壳
在制壳过程中，制壳材料的质量非常重要，确保具有以下几点:(１)具有高的耐火温度;(２)制壳材料具有足够的惰性可以减少金属液和耐火材料的反应;(３)制作好的型壳具有足够的物理强度可以确保在生产过程中进行搬运;(４)型壳具有足够的热强度以便能承受金属液的冲击;(５)制壳材料具有好的尺寸稳定性;(６)浆料具有很好的涂挂性。
该工艺使用氧化钇作为面层的耐火材料，粘结剂采用硅酸锆无机水溶液。该氧化物和粘结剂配制的面层型壳在高温状态下与钛液不会发生反应，导热性低，保温性较好，适合浇注大型钛合金精密铸件。这种新型粘结剂与碳酸锆氨、醋酸锆和钇溶胶相比更适合3D打印的模型，其面层强度更高，面层不易脱落，制得的模壳湿态强度更高，可以防止涨壳，高温强度好，更耐金属液冲刷，型壳涂挂时不易变形。
控制参数为，面层浆料粘度40ｓ~60ｓ，面层干燥间温度20℃~24℃，湿度60％~70％。背层采用马来砂和马来粉配制，背层浆料粘度16ｓ~24ｓ，背层干燥间温度20℃~24℃，湿度40％~50％。根据铸件大小选择涂挂6~8层。图５为涂挂了背层的模型。
４、焙烧和浇注
树脂模在焙烧过程中容易发生膨胀胀裂型壳，本工艺树脂模因其表面涂有蜡，预热温度60℃时蜡已经开始融化，使模型与壳之间产生了间隙，彻底解决了因树脂焙烧膨胀而对模壳产生的胀裂问题。树脂模必须采用天然气炉焙烧，树脂在天然气炉中瞬间燃烧消失减少了其因膨胀而对型壳损坏。图６为天然气焙烧炉，图７为焙烧后的型壳。制好的的型壳组盘后即可浇注，浇注好的铸件如果是重量轻、壁厚薄的铸件其表面污染层薄，无需专门去除，经过热等静压、精整和包装后即可发给客户。
5、酸洗
对于重量大或壁厚较厚的铸件通常表面污染层较厚就需要采取酸洗工艺去除污染层。本工艺采用聚合硫酸铁和氢佛酸的混合酸进行酸洗，彻底去除污染层后，用清水进行冲洗。整个酸洗过程要求严格控制酸洗温度和酸洗量，保证完全去除污染层。此酸洗液相比于硝酸和氢氟酸的混合酸洗液酸洗速度更快，酸洗效果更好。新型酸洗液配比为，聚合硫酸铁(含铁≥19％)重量比为22.９，水重量比为69，氢氟酸重量比为8.1。图８为酸洗后的铸件。
6、结论
3D打印材料的选择上，蜡质和聚乳酸高分子模灰分和残留物较少，更适合钛及钛合金精密铸造。通过在3D打印“模型”表面涂挂蜡层，并采用新型面层粘结剂进行面层浆料的配制和涂挂，选用天然气炉进行焙烧的方法解决了浆料涂挂困难和焙烧过程中型壳易胀裂的问题;其次通过涂蜡的方法解决了模型表面质量差的问题;采用热熔胶枪对模型进行组焊解决了模型树组焊强度不高的问题;采用新型混合酸进行酸洗解决了部分3D打印模所制钛及钛合金铸件污染层较厚的问题。
通过以上措施的实施打通了3D打印模的钛及钛合金精密铸造工艺流程，有助于在钛铸造领域实现快速精密铸造技术。采用该技术既可节约生产成本，节省开模费用，又可以缩短生产周期，满足个性化的需求，适应未来定制型经济的发展趋势。
参考文献
[１]姜耀林，邵中魁.3D打印在快速熔模精密铸造技术中的应用[Ｊ].机电工程，２０１７，３４(１):４８－５１.
[２]杨铎.陶瓷型壳3D打印关键技术研究[Ｄ].郑州:华北水利水电大学，２０１９.