CN102019401A

CN102019401A - 一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法

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Publication number: CN102019401A
Application number: CN 201010615723
Authority: CN
Inventors: 苏彦庆; 骆良顺; 刘卫强; 董福宇; 叶喜葱; 郭景杰; 李新中; 傅恒志
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102019401B

Abstract

一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，它涉及钛合金或钛铝合金铸件的铸造方法。本发明要解决现有的钛合金构件的重力铸造难于使其顺利充型、离心铸造方法工艺复杂、材料利用率低及金属型底漏式真空吸铸方法的不能铸造成形形状复杂的薄壁零件的技术问题。本方法：一、制备透气型壳；二、制备底漏式真空吸铸容器；三、将型壳固定在容器中，再将容器固定在熔炼炉的吸铸室内；四、将钛合金或钛铝合金原料电弧熔炼得到纽扣锭；五、将纽扣锭翻转到吸铸坩埚熔炼，得到过热熔体；六、吸铸充型，降温后得到铸件。该方法的成品率≥90％，为一种简单的近净成形方法，可用于制备钛及钛铝合金叶片、涡轮、工艺品等小型复杂铸件。

Description

一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法

技术领域

本发明涉及钛合金或钛铝合金铸件的铸造方法。

背景技术

钛不是稀有金属，在含量最丰富的结构金属中排第四位，仅次于铝、铁、镁，但由于制取纯钛的价格非常高，所以钛合金的价格非常高。随着海绵钛成本的下降，钛合金价格降低，钛合金新材料的不断研制与钛材品种的增多，钛在军用及民用工业中的应用逐渐增加。铸造成形是制备钛合金构件的重要方法。钛合金的铸造方法主要有重力铸造、离心铸造、熔模铸造，也有尝试反重力低压铸造。在民用产品中，如汽车的排气阀、发动机气门、手表外壳、钛工艺品等大部分尺寸较小，由于钛合金的密度低，对于小型复杂铸件，尤其是薄壁部分，传统的重力铸造难于使其顺利充型，虽然离心铸造方法能够成形，但工艺复杂、材料利用率很低、生产周期长，而且两种方法工作量大，成本高，限制了钛合金小型铸件的广泛应用。专利200810064180.4公开了一种金属型底漏式真空吸铸钛基合金的精密铸造方法，利用该方法可以快速、高效率铸造成形钛基合金的方法，但是由于这种技术采用金属铸型，由于金属铸型冷却速度快、不透气，无退让性，容易造成铸件浇不足、开裂等缺陷，并且铸型不能预热到较高的温度，只能成形一些形状较简单、易分型的零件，难于成形形状复杂的薄壁零件。

发明内容

本发明要解决现有的钛合金构件的重力铸造难于使其顺利充型、离心铸造方法工艺复杂、材料利用率低及金属型底漏式真空吸铸方法的不能铸造成形形状复杂的薄壁零件的技术问题，而提供一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法。

本发明的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的透气型壳；二、制备底漏式真空吸铸容器，该容器由腔体与上盖组成，在腔体的侧壁开有通气孔，上盖开有浇口，上盖的上表面开有环形密封凹槽，浇口位于密封凹槽的环形内；三、将步骤一制备的型壳用透气的充填物固定在步骤二制备的容器里，盖好容器上盖，把密封圈安装在容器上盖的密封凹槽内，再将容器固定在熔炼炉的吸铸室内，使石墨吸口、容器上盖浇口和型壳的直浇道对准；四、将钛合金或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚内，再将真空室抽真空至0.2×10^-2Pa～6×10^-2Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，然后通电进行电弧熔炼，将原料熔炼3～6次，每次熔炼时间2min～5min，熔炼电流为100A～300A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为100A～300A，熔炼1min～5min后，增大电弧电流至300A～500A，并保持1min～3min，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室真空系统，开启吸铸按钮，步骤四得到的过热熔体在真空压力差和自身重力的压力综合作用下，迅速充满型腔，待型腔内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。

本发明通过将底漏式真空吸铸方法和熔模精密铸造方法相结合，提出一种铸造钛合金或钛铝合金的新型铸造方法——底漏式真空吸铸熔模精密铸造方法。这种方法兼顾熔模精密铸造方法的精铸件度高、适用范围广、可成形复杂铸件的优点，以及底漏式真空吸铸方法的充型能力强、效率高、成本低、尤其适用小型铸件的优点。本发明首先制作小型工艺品、叶片等复杂铸件的熔模铸造型壳；然后把透气的型壳放入容器里，将型壳直浇道与容器上盖浇口对准，用耐热并通气的大块海绵钛、铸造型砂或钢丸固定型壳，这些通气的固定材料能够固定各种不同大小、不同高度的模壳，而且通气的固定材料不规则、不致密，透气性较好；盖好容器盖，安装密封圈，把容器放在设备的支撑板上。然后将支撑板用螺栓固定安装在设备上；将预制好的钛合金，放入电弧熔熔炼坩埚，进行真空熔炼，把合金熔炼成纽扣锭，把纽扣锭翻转到吸铸坩埚，小电弧缓慢熔化纽扣锭，当整个纽扣锭呈现红热状态时，迅速加大电弧，同时真空室开始抽真空；由于容器有通气孔，固定材料透气，且型壳具有透气性，因此型壳内产生负压，液态的钛合金在自身重力和压差的作用下，定向流动，向型壳中浇注金属液，并将型壳填满；待铸件冷却一段时间后，释放真空，清理型壳，得到完整铸件，铸件尺寸精度和表面光洁度高，克服了现有技术铸件浇不足，易开裂的缺点，成品率≥90％，是一种钛及钛铝合金的近净成形工艺。

该方法在真空条件下充型，避免了钛合金或钛铝合金发生氧化；重力场与气场叠加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方便，提高成品率，降低了成本，能够广泛应用到钛合金小型复杂铸件的生产上，尤其适合于大批量或小批量单件生产小型钛及钛铝合金铸件的铸造成形，如成形尺寸很小或壁厚非常薄的钛及钛铝合金叶片、涡轮、工艺品等，铸件的成形质量高，优于熔模精密铸造的精度。

附图说明

图1是型壳容器示意图；图2是底漏式真空吸铸熔模精密铸造熔炼和吸铸原理的示意图。图中：1是钨极，2是熔炼室，3是水冷铜坩埚，4是循环水，5是密封圈，6是吸铸室，7是型壳容器，8是型壳，9是充填物，10是支撑板，11是石墨吸口；3-1是熔炼坩埚，3-2是吸铸坩埚，7-1是上盖，7-2是腔体，7-3是通气孔，7-4是密封凹槽，7-5是浇口。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见附图1和图2)本实施方式的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的透气型壳8；二、制备底漏式真空吸铸容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口7-5，上盖7-1的上表面开有环形密封凹槽7-4，浇口7-5位于密封凹槽7-4的环形内；三、将步骤一制备的型壳8用透气的充填物9固定在步骤二制备的容器7里，盖好容器上盖7-1，把密封圈5安装在容器上盖的密封凹槽7-4内，再将容器7固定在熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口11、容器上盖浇口7-5和型壳8的直浇道对准；四、将钛合金或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，再将熔炼室2抽真空至0.2×10^-2Pa～6×10^-2Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，然后通电进行电弧熔炼，将原料熔炼3～6次，每次熔炼时间2min～5min，熔炼电流为100A～300A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2内，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为100A～300A，熔炼1min～5min后，增大电弧电流至300A～500A，并保持1min～3min，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室真空系统，开启吸铸按钮，步骤四得到的过热熔体在真空压力差和自身重力的压力综合作用下，迅速充满型腔8，待型腔8内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。

本实施方式的方法在真空条件下充型，避免了钛合金发生氧化；重力场与气场叠加，具有很强的充型能力；具有生产率高、机构简单、操作方便、成品率≥90％、材料利用率极高、近净成形、成本低的优点，能够广泛应用到钛及合金小型复杂铸件的生产上，如钛及钛铝合金叶片、涡轮、工艺品等的大批量或小批量单件生产。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳8时，面砂的粒径为80目～100目，二层砂的粒径为20目～40目，背层砂的粒径为8目～20目。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳8时，面砂的粒径为90目，二层砂的粒径为30目，背层砂的粒径为16目。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固定型壳的透气的充填物9为直径为0.1mm～5mm的钢丸或铁丸。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固定型壳的透气的充填物9为直径为2mm的钢丸或铁丸。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固定型壳的固定型壳的透气的充填物9为直径为10目～100目的铸造用型砂。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固定型壳的固定型壳的透气的充填物9为直径为60目的铸造用型砂。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固定型壳的固定型壳的透气的充填物9为海绵钛。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中将钛或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，再将熔炼室抽真空至0.5×10^-2Pa～5×10^-2Pa。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中将钛或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，再将熔炼室抽真空至2×10^-2Pa。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四中通入保护气体至压力为42kPa～56kPa。其它与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四中通入保护气体至压力为50kPa。其它与具体实施方式一至十之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤四中电弧熔炼的次数是4～5次，每次熔炼时间2.5min～4.5min，熔炼电流为120A～280A。其它与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤四中电弧熔炼的次数是3次，每次熔炼时间3.5min，熔炼电流为200A。其它与具体实施方式一至十二之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤五中将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为120A～280A，熔炼2min～4min后，增大电弧电流至320A～480A，并保持1min～3min，得到过热熔体。其它与具体实施方式一至十四之一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤五中将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为200A，熔炼3min后，增大电弧电流至400A，并保持2min，得到过热熔体。其它与具体实施方式一至十四之一相同。

具体实施方式十七：(参见附图1、图2)本实施方式的一种小型钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛铝合金铸件的型壳8；二、制备型壳不锈钢容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口7-5，上盖7-1的上表面开有环形密封凹槽7-4，浇口7-5位于密封凹槽7-4内；三、将步骤一制备的型壳8用海绵钛9固定在步骤二制备的容器7里，盖好容器7上盖7-1，把密封圈5安装在容器7上盖7-1的密封凹槽7-4内，再将容器7安装在真空电弧熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口11、容器上盖浇口7-5和型壳8的直浇道对准；四、将Ti-47Al-2Cr-2Nb合金放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至5×10^-2Pa，然后通入高纯氩气至压力为50kPa，而后通过电弧熔炼，将原料熔炼5次，每次熔炼时间3min，电流为200A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2中，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为200A熔炼5min后，将电流增加到400A，并保持3min，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室6真空系统，然后开启吸铸按钮，步骤五得到的过热熔体在压力差和自身重力的压力综合作用下，通过石墨洗口迅速充满型腔8，待型腔8内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。

本实施方式步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛铝合金铸件的型壳8时，面砂的粒径为80目，二层砂的粒径为30目，背层砂的粒径为16目。

本实施方式得到的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金叶轮铸件充型完整，表面质量好，经探伤检测内部质量好，无气孔、缩孔缺陷，成品率92％。

本实施方式方法在真空条件下充型，避免了钛铝合金发生氧化；重力场与气场叠加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方便，提高成品率，降低了成本。

具体实施方式十八：(参见附图1、图2)本实施方式的一种小型钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛铝合金铸件的型壳8；二、制备型壳不锈钢容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口7-5，上盖7-1的上表面开有环形密封凹槽7-4，浇口7-5位于密封凹槽7-4内；三、将步骤一制备的型壳8用海绵钛9固定在步骤二制备的容器7里，盖好容器7上盖7-1，把密封圈5安装在容器7上盖7-1的密封凹槽7-4内，再将容器7安装在真空电弧熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口11、容器上盖浇口7-5和型壳8的直浇道对准；四、将Ti-47Al-2Cr-2Nb合金放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至1×10^-2Pa，然后通入氦气至压力为45kPa，而后通过电弧熔炼，将原料熔炼4次，每次熔炼时间5min，电流为250A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2中，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为250A熔炼4min后，将电流增加到500A，并保持2min，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室6真空系统，然后开启吸铸按钮，步骤五得到的过热熔体在压力差和自身重力的压力综合作用下，通过石墨洗口迅速充满型腔8，待型腔8内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。

本实施方式步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳8时，面砂的粒径为90目，二层砂的粒径为40目，背层砂的粒径为16目。

本实施方式得到的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金叶轮铸件充型完整，表面质量好，经探伤检测内部质量好，无气孔、缩孔缺陷，成品率95％。

具体实施方式十九：(参见附图1、图2)本实施方式的一种小型钛合金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛合金铸件的型壳8；二、制备型壳不锈钢容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口7-5，上盖7-1的上表面开有环形密封凹槽7-4，浇口7-5位于密封凹槽7-4内；三、将步骤一制备的型壳8用海绵钛9固定在步骤二制备的容器7里，盖好容器7上盖7-1，把密封圈5安装在容器7上盖7-1的密封凹槽7-4内，再将容器7安装在真空电弧熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口11、容器上盖浇口7-5和型壳8的直浇道对准；四、将Ti-6Al-4V(TC4)合金放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至3×10^-2Pa，然后通入氦气至压力为55kPa，而后通过电弧熔炼，将原料熔炼3次，每次熔炼时间4min，电流为200A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2中，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为200A熔炼3min后，将电流增加到450A，并保持3min，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室6真空系统，然后开启吸铸按钮，步骤五得到的过热熔体在压力差和自身重力的压力综合作用下，通过石墨洗口迅速充满型腔8，待型腔8内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。

本实施方式步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛铸件的型壳8时，面砂的粒径为80目，二层砂的粒径为30目，背层砂的粒径为16目。

本实施方式得到的Ti-6Al-4V(TC4)合金叶轮铸件充型完整，表面质量好，经探伤检测内部质量好，无气孔、缩孔缺陷，成品率94％。

本实施方式方法在真空条件下充型，避免了钛金属发生氧化；重力场与气场叠加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方便，提高成品率，降低了成本。

Claims

1.一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的透气型壳(8)；二、制备底漏式真空吸铸容器(7)，该容器(7)由腔体(7-2)与上盖(7-1)组成，在腔体(7-2)的侧壁开有通气孔(7-3)，上盖(7-1)开有浇口(7-5)，上盖(7-1)的上表面开有环形密封凹槽(7-4)，浇口(7-5)位于密封凹槽(7-4)的环形内；三、将步骤一制备的型壳(8)用透气的充填物(9)固定在步骤二制备的容器(7)里，盖好容器上盖(7-1)，把密封圈(5)安装在容器上盖的密封凹槽(7-4)内，再将容器(7)固定在熔炼炉的吸铸室(6)内，使石墨吸口(11)、容器上盖浇口(7-5)和型壳的直浇道对准；四、将钛合金或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚(3-1)内，再将熔炼室(2)抽真空至0.2×10^-2Pa～6×10^-2Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，然后通电进行电弧熔炼，将原料熔炼3～6次，每次熔炼时间2min～5min，熔炼电流为100A～300A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚(3-2)内，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为100A～300A，熔炼1min～5min后，增大电弧电流至300A～500A，并保持1min～3min，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室真空系统，开启吸铸按钮，步骤四得到的过热熔体在真空压力差和自身重力的压力综合作用下，迅速充满型腔(8)，待型腔(8)内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。

2.根据权利要求1所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳(8)时，面砂的粒径为80目～100目，二层砂的粒径为20目～40目，背层砂的粒径为8目～20目。

3.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤三中固定型壳的透气的充填物(9)为直径为0.1mm～5mm的钢丸或铁丸。

4.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤三中固定型壳的固定型壳的透气的充填物(9)为直径为10目～100目的铸造用型砂。

5.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤三中固定型壳的固定型壳的透气的充填物(9)为海绵钛。

6.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤四中将钛合金或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚(3-1)内，再将熔炼室抽真空至0.5×10^-2Pa～5×10^-2Pa。

7.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤四中通入保护气体至压力为42kPa～56kPa。

8.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤四中电弧熔炼的次数是4～5次，每次熔炼时间2.5min～4.5min，熔炼电流为120A～280A。

9.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤五中将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为120A～280A，熔炼2min～4min后，增大电弧电流至320A～480A，并保持1min～3min，得到过热熔体。

10.根据权利要求1或2所述的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，其特征在于步骤五中将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为200A，熔炼3min后，增大电弧电流至400A，并保持2min，得到过热熔体。