CN103817290B - 一种大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及精密铸造领域，具体为一种大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造成型方法。本发明涉及的钛合金桶体制备包括氧化钇耐火材料制备陶瓷模壳技术、三坐标尺寸测量技术以及离心精铸成型技术等，突破了大尺寸薄壁件模型精度控制、模壳制备及离心铸造等关键技术，为大型钛合金精密铸造成型提供了一种可行的方法。与传统的石墨型铸造相比，氧化物陶瓷型模壳精密铸造解决了钛铸件表面反应层问题，从而提高了铸件表面质量，离心铸造方法大大改善了铸件内部质量。采用该方法可以实现铸件表面无污染，内部无冶金缺陷，并结合三坐标在整个过程的跟踪监控，实现尺寸精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及精密铸造领域，具体为一种大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造成型方法。
背景技术
作为一种近净成型技术，精密铸造技术特别适用于成型因形状复杂而无法焊接或加工的大尺寸结构件，或者是虽然可以焊接或加工但无法承受巨大经济成本的结构件。钛合金广泛应用于航空航天领域，其加工成本远高于合金钢和铝合金等常用金属材料，因此发展钛合金精密铸造技术具有十分重要的意义。
钛合金在熔融状态下具有极高的化学活性，几乎与所有的耐火材料发生化学反应，在铸件表面形成反应层，严重恶化铸件质量，影响铸件尺寸精度，甚至报废。研究表明，Y2O3耐火材料具有很好的化学稳定性，是目前最适宜于钛合金精密铸造的模壳材料。但大型桶体结构件具有典型的大尺寸平面，如何控制大平面模壳不开裂、不回溶、不鼓包是模壳制备最为关键的技术。
本发明涉及的桶体结构件直径大于600mm，高度大于750mm，壁厚小于5mm，难以实验模型整体压注成型，分体模型在组合时必然造成尺寸偏差，如何保证在组模、涂料、脱蜡、烧结、装炉等过程的不变形，实现尺寸精度控制，是大型结构件制备的技术难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺寸薄壁钛合金桶体结构的离心精密铸造制备方法，采用该方法可以实现铸件表面无污染，内部无冶金缺陷，并结合三坐标在整个过程的跟踪监控，实现尺寸精确控制。
本发明的技术方案是：
一种大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，该方法的技术路径是：模型压制→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧→离心浇注→热等静压等工序完成铸件制备，其中：
（1）模型制备：采用填充模料、20T单工位压蜡机进行压制；注蜡温度：55～70℃，注蜡时间：20～50s，保压时间：100～300s，模型采用分段式压制模型，每段进行三坐标检测，合格后在胎具上组焊，再进行整体检测，直至合格；
（2）模壳制备：面层料浆采用270～425目氧化钇粉和有机物溶胶配制，粉液比为5.0～6.5g/ml，撒砂骨料为40～90目氧化钇，第二～十层料浆采用270～320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.0～3.5g/ml，撒砂骨料分别为：第二～四层36#刚玉砂、第五～七层30#刚玉砂和第八～十层24#刚玉砂，每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳；
（3）离心浇注：将处理好的模壳装进砂箱中，在400～600℃马弗炉中预热4～8h，转移到凝壳炉转盘上，抽真空至20～50Pa，设定离心转速为150～400转/分，浇注，保温1～3h，出炉，清壳，得到铸件；
（4）热等静压：铸件切除浇注系统后，进行热等静压，其制度为：温度900～1200℃，压力100～150MPa，时间2～5h；
（5）浇冒口切割加工及桶体局部修整：用电火花线切割切除浇冒口，对铸件表面进行吹砂，局部有粘砂缺陷进行精修；
（6）铸件检验：用三坐标对尺寸进行检验，局部超差部位进行抛磨修整。
所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，填充模料常用的型号为B573、KC4021D或者F30-75。
所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，每层料浆中加入常用的润湿剂、消泡剂及成膜助剂，润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂；消泡剂为正辛醇或有机硅消泡剂，成膜助剂为聚丁二烯或丁苯类聚合物，润湿剂、消泡剂及成膜助剂的含量之和占料浆重量的1～4‰。
所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，有机物溶胶为有机锆溶胶。
所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，桶体结构件直径大于600mm，高度大于750mm，壁厚小于5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明涉及的钛合金桶体制备包括氧化钇耐火材料制备陶瓷模壳技术、三坐标尺寸测量技术以及离心精铸成型技术等，突破了大尺寸薄壁件模型精度控制、模壳制备及离心铸造等关键技术，为大型钛合金精密铸造成型提供了一种可行的方法。与传统的石墨型铸造相比，氧化物陶瓷型模壳精密铸造解决了钛铸件表面反应层问题，从而提高了铸件表面质量，离心铸造方法大大改善了铸件内部质量。
2、本发明钛合金熔液的高活性要求采用特殊的熔炼方法，通常采用水冷金属坩埚熔炼，以避免熔融液与坩埚材料发生化学反应而污染合金液。由于冷却水带走大量热量，导致合金液的过热度降低，通常只有50K，这对于大型薄壁件的充型极为不利，离心力可加速合金液在铸型中的流动，而离心力场会给合金液的流动、充型和凝固顺序带来极大的影响，难以实现由表及里的理想顺序，而产生疏松缺陷。因此，确定离心转速是既能保证完好充型又能避免疏松缺陷的关键参数。
附图说明
图1为浇铸出的铸件成品图。
图2为铸件表面硬化层的硬度变化曲线。
图3（a）-图3（c）为铸件截面照片与模壳材料主元素在铸件表面分布曲线。其中，图3（a）为铸件截面照片；图3（b）为Y元素分布曲线；图3（c）为O元素分布曲线。
具体实施方式
本发明大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，其技术路径是：模型压制→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧→离心浇注→热等静压等工序完成铸件制备。其中，尺寸检验采用globalclassicSR9128三坐标进行测量；组焊胎具（即模型组合）根据零件数模设计，不锈钢材料精密加工而成；模壳面层材料为氧化钇，采用手摇式旋转涂料装置辅助完成模壳制备；离心浇注在200kg凝壳炉内完成，离心转速为150～400转/分。其中：
（1）模型制备（模型压制→尺寸检验→模型组合）：采用填充模料、20T单工位压蜡机进行压制。注蜡温度：55～70℃，注蜡时间：20～50s，保压时间：100～300s，模型采用分段式压制模型，每段进行三坐标检测，合格后在胎具上组焊，再进行整体检测，直至合格。其中，填充模料可以为KC4021D、F30-75或F30-75MOD，生产厂家为M.Argüeso&CO.Inc.。
（2）模壳制备：面层料浆采用270～425目氧化钇粉和有机物溶胶配制，粉液比为5.0～6.5g/ml，撒砂骨料为40～90目氧化钇，第二～十层料浆采用270～320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.0～3.5g/ml，撒砂骨料分别为：二～四层36#刚玉砂、五～七层30#刚玉砂和八～十层24#刚玉砂，此设计的作用是提高模壳强度，以保证模壳在脱蜡、搬运、烧结过程中不损坏，以及承受浇铸过程中熔融液的冲击。
每层料浆中加入常用的润湿剂、消泡剂及成膜助剂，润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂（如：JFC系列润湿剂，RO(CH2CH2O)nH，通常R=C8～C10，n=4～8）；消泡剂为正辛醇或有机硅消泡剂（如：武汉智发科技开发有限公司生产的ZF-100型有机硅消泡剂），成膜助剂为聚丁二烯或丁苯类聚合物，润湿剂、消泡剂及成膜助剂的含量之和占料浆重量的1～4‰。每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳。其中，有机物溶胶为有机锆溶胶（如：醋酸锆溶胶）。
本发明中，丁苯类聚合物可以采用：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）、丁苯橡胶（SBR）、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯共聚物（SIS）以及丁腈橡胶（NBR）、聚苯乙烯（HIPS）等。
（3）离心浇注：将处理好的模壳装进砂箱中，在400～600℃马弗炉中预热4～8h，转移到凝壳炉转盘上，抽真空至20～50Pa，设定离心转速为150～400转/分，浇注，保温1～3h，出炉，清壳，得到铸件。
（4）热等静压：铸件切除浇注系统后，进行热等静压，其制度为：温度900～1200℃，压力100～150MPa，时间2～5h。
（5）浇冒口切割加工及桶体局部修整：用电火花线切割切除浇冒口，对铸件表面进行吹砂，局部有粘砂缺陷进行精修。
（6）铸件检验：用三坐标对尺寸进行检验，局部超差部位进行抛磨修整。
下面结合实施例对本发明做详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
本实施例制备的桶体件尺寸为：高度760cm，外径610cm，厚度4mm，具体实施步骤如下：
（1）模型制备：采用F30-75填充模料，注蜡温度：65℃，注蜡时间：40s，保压时间：240s，三坐标检测合格后在胎具上组焊，再进行整体检测，直至合格。
（2）模壳制备：面层料浆采用325目氧化钇粉和醋酸锆溶胶配制，粉液比为5.5g/ml，撒砂骨料为60目氧化钇，第二～十层料浆采用320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.5g/ml，撒砂骨料分别为：第二～四层36#刚玉砂、第五～七层30#刚玉砂和第八～十层24#刚玉砂。每层料浆中加入常用的润湿剂、消泡剂及成膜助剂，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇，成膜助剂为聚丁二烯聚合物，润湿剂、消泡剂及成膜助剂的含量分别占料浆重量的1‰。每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳。
（3）离心浇注：将处理好的模壳装进砂箱中，在450℃马弗炉中预热5h，转移到凝壳炉转盘上，抽真空至40Pa，设定离心转速为200转/分，浇注，保温2h，出炉，清壳，得到铸件。
（4）热等静压：铸件切除浇注系统后，进行热等静压，其制度为：温度950℃，压力120MPa，时间3h。
（5）浇冒口切割加工及桶体局部修整：用电火花线切割切除浇冒口，对铸件表面进行吹砂，局部有粘砂缺陷进行精修。
（6）铸件检验：用三坐标对尺寸进行检验，局部超差部位进行抛磨修整。
如图1所示，从浇铸出的铸件成品图可以看出，铸件表面光滑，边缘完整，表面没有可见的毛刺或凹坑等缺陷，呈金属色。
如图2所示，从铸件表面硬化层的硬度变化曲线可以看出，铸件表面存在约200μm的硬化层。如图3（a）-图3（c）所示，结合铸件截面金相照片和模壳材料主元素分布曲线可以看出，在铸件表面存在一层晶粒细化区，但该区域并没有明显的模壳材料的扩散。因此，可以判断该耐火材料对钛合金精密铸造是足够稳定的。
实施例结果表明，本发明中采用了特定的工艺步骤：模壳制备、模壳焙烧、离心浇注、热等静压等，并相应地采用了特定工艺参数协同作用下，可以实现铸件表面无污染，内部无冶金缺陷，并结合三坐标在整个过程的跟踪监控，实现尺寸精确控制。与传统的石墨型铸造相比，氧化物陶瓷型模壳精密铸造解决了钛铸件表面反应层问题，从而提高了铸件表面质量，离心铸造方法大大改善了铸件内部质量。
Claims (4)
1.一种大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，其特征在于，桶体结构件直径大于600mm，高度大于750mm，壁厚小于5mm；该方法的技术路径是：模型制备→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧→离心浇注→热等静压→浇冒口切割加工及桶体局部修整→铸件检验工序完成铸件制备，其中：
（1）模型制备：采用填充模料、20T单工位压蜡机进行压制；注蜡温度：55～70℃，注蜡时间：20～50s，保压时间：100～300s，模型采用分段式压制模型，每段进行三坐标检测，合格后在胎具上组焊，再进行整体检测，直至合格；
（2）模壳制备：面层料浆采用270～425目氧化钇粉和有机物溶胶配制，粉液比为5.0～6.5g/ml，撒砂骨料为40～90目氧化钇，第二～十层料浆采用270～320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.0～3.5g/ml，撒砂骨料分别为：第二～四层36#刚玉砂、第五～七层30#刚玉砂和第八～十层24#刚玉砂，每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳；
（3）离心浇注：将处理好的模壳装进砂箱中，在400～600℃马弗炉中预热4～8h，转移到凝壳炉转盘上，抽真空至20～50Pa，设定离心转速为150～400转/分，浇注，保温1～3h，出炉，清壳，得到铸件；
（4）热等静压：铸件切除浇注系统后，进行热等静压，其制度为：温度900～1200℃，压力100～150MPa，时间2～5h；
（5）浇冒口切割加工及桶体局部修整：用电火花线切割切除浇冒口，对铸件表面进行吹砂，局部有粘砂缺陷进行精修；
（6）铸件检验：用三坐标对尺寸进行检验，局部超差部位进行抛磨修整。
2.按照权利要求1所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，其特征在于，填充模料型号为B573、KC4021D或者F30-75。
3.按照权利要求1所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，其特征在于，每层料浆中加入润湿剂、消泡剂及成膜助剂，润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂；消泡剂为正辛醇或有机硅消泡剂，成膜助剂为聚丁二烯或丁苯类聚合物，润湿剂、消泡剂及成膜助剂的含量之和占料浆重量的1～4‰。
4.按照权利要求1所述的大尺寸薄壁钛合金桶体结构的精密铸造制备方法，其特征在于，有机物溶胶为有机锆溶胶。
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