CN103934431B - 一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置及成形方法，涉及一种铸件反重力成形装置及成形方法。是要解决现有的成形装置不能实现高惰性环境熔炼、升液管升降及密封、余液处理的问题。装置包括上罐体、中隔段、下罐体、液压顶杆、电源、可倾式加热线圈、坩埚、真空系统、液面调节系统、循环水冷系统、熔炼观察机构，捣料机构、加料机构、测温机构、升液管、液压驱动系统、铸型升降系统、铸型和备用铸型，上罐体内设有铸型升降系统下罐体内设有可倾式加热线圈、坩埚和备用铸型。方法：坩埚内加入金属，升降系统升起，抽真空充入氩气；金属熔化后降下升降系统压紧铸型；向下罐体充氩气，成形铸件；冷却取出铸件。用于制备钛及钛合金复杂薄壁铸件。

Description

一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及一种铸件反重力成形装置及成形方法。

背景技术

钛及钛合金复杂薄壁铸件在航空、航天、医疗器械、汽车等领域应用越来越广。普通的重力铸造或离心铸造已经很难满足成形工艺发展需求，尤其钛及钛合金的熔点高，并且熔化状态下化学活性非常高，几乎可以与目前现有的工程材料均发生反应，因此其熔炼及成形难度特别大，特别是成形钛及钛合金复杂薄壁铸件时难度更大，这对其成形装置与成型工艺提出了更高要求。目前工业应用的钛及钛合金熔炼方式主要是真空自耗电极凝壳熔炼和真空非自耗电极冷坩埚熔炼方式(包括强制水冷铜坩埚熔炼和非水冷氧化物、氮化物坩埚熔炼)，熔炼后成形方式主要是普通重力浇铸和离心重力浇铸，现有的成形装置不能实现钛及钛合金反重力成形所需高惰性环境熔炼、升液管升降及密封、余液处理等关键问题。已经不能适应成形钛及钛合金复杂薄壁铸件需求，开发新的成形方法和成形装置已经迫在眉睫。

发明内容

本发明是要解决现有的成形装置不能实现钛及钛合金反重力成形所需高惰性环境熔炼、升液管升降及密封、余液处理的问题，提供一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置及成形方法。

本发明钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置包括上罐体、中隔段、下罐体、液压顶杆、电源、可倾式加热线圈、坩埚、真空系统、液面调节系统、循环水冷系统、熔炼观察机构，捣料机构、加料机构、测温机构、升液管、液压驱动系统、铸型升降系统、铸型和备用铸型，上罐体和下罐体通过中隔段隔开，上罐体与中隔段之间采用液压顶杆分合，上罐体内设有铸型升降系统，铸型与升液管位于铸型升降系统内，升液管的顶部带有平板法兰，卡在铸型底部的孔中，中隔段上有孔可供升液管穿过，中隔段上还设有熔炼观察机构，捣料机构、加料机构和测温机构，下罐体内设有可倾式加热线圈、坩埚和备用铸型，可倾式加热线圈与电源连接，坩埚位于升液管下方，坩埚设置于可倾式加热线圈内，坩埚与可倾式加热线圈之间的空隙捣实有镁砂，可倾式加热线圈由液压驱动系统驱动翻转，使坩埚中液体能够流入备用铸型中，上罐体和下罐体与液面调节系统通过管道相连，下罐体与真空系统通过管道相连，循环水冷系统分别连接到上罐体、下罐体、中隔段和真空系统内。

上罐体与中隔段之间、及中隔段与下罐体之间均采用法兰连接，法兰上设有定位销和定位孔相互定位，法兰外侧设有旋转卡环锁紧。

所述液面调节系统采用数字组合电磁阀技术，可实现非线性加压控制。

利用上述装置成形的方法，按以下步骤进行：

一、在坩埚内加入所需熔化的钛或钛合金，安装中隔段；

二、将铸型与升液管装配好后，放置于上罐体中的铸型升降系统内，使铸型升降系统升起，在下罐体内装入备用铸型；

三、安装上罐体，将上罐体与中隔段、中隔段与下罐体之间锁紧密封；

四、利用真空系统对上罐体和下罐体进行抽真空，达到5×10^-3Pa后，充入高纯氩气达到200Pa，然后开启电源，加热熔炼坩埚内金属；

五、金属熔化后，降下铸型升降系统使升液管深入到金属液面之下，压紧铸型；

六、通过液面调节系统向下罐体中充入高纯氩气，使金属液沿升液管充满到铸型中，最终成形铸件；

七、升起铸型和升液管，通过液压驱动系统驱动可倾式加热线圈和坩埚旋转，将坩埚内剩余的金属液浇注到备用铸型内；

八、抽真空至5×10^-3～9×10^-2Pa，铸型冷却至室温后通过液面调节系统连通外界大气与罐体内气体，取出铸件。

步骤六所述高纯氩气的纯度为99.999％。

本发明的反重力成形装置可以实现高惰性环境熔炼，熔炼时升液管处于坩埚外部，确保熔体纯净；成形时升液管与铸型同步下降，升液管浸入到钛合金液后，可实现液压压力可控密封，避免传统压铁压箱方式设备负载重量大、可靠性低的缺点，成形完毕后可实现剩余钛合金液真空安全处理，并可以再次利用，有效提高产品合格率和工艺出品率。

本发明具有以下有益效果：

(1)反重力成形装置中隔段为非对称盘形结构，并设有熔炼观察机构，捣料机构、加料机构、测温机构。可实现熔炼过程实时监控，捣料机构可以解决熔炼过程中出现的“搭棚”现象；加料机构可以实现不断电加料、调节合金成分等功能，弥补了现行钛合金成形装置熔化过程成分不能调节的缺陷。

(2)反重力成形装置中铸型升降系统可以实现熔炼过程中升液管处于坩埚之外，钛及钛合金无污染熔炼，合金熔炼符合要求后，铸型升降系统带动升液管和铸型下降，并液压密封升液管与中隔段以及铸型与升液管接触面。

(3)钛合金反重力成形方法可以成形最小壁厚0.5mm的复杂薄壁钛合金铸件，突破了传统重力铸造和离心铸造的极限，使钛合金成形能力大幅提高。

(4)反重力成形由于技术本身特点，必然有剩余的金属液，钛合金液必须在惰性环境中从坩埚浇注出来，本发明铸型升降系统和可倾转线圈配合可以实现剩余钛合金液惰性环境处理，剩余钛合金液体凝固后由于纯净度较高可以再次使用，大幅提高了材料的利用率和工艺出品率。

通过本发明可实现熔炼过程实时监控，熔炼过程中升液管处于坩埚之外，钛及钛合金无污染熔炼。钛合金反重力成形方法可以成形最小壁厚0.5mm的复杂薄壁钛合金铸件，突破了传统重力铸造和离心铸造的极限，使钛合金复杂薄壁铸件成形能力大幅提高。

附图说明

图1为本发明钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置包括上罐体1、中隔段2、下罐体3、液压顶杆4、电源5、可倾式加热线圈6、坩埚7、真空系统8、液面调节系统9、循环水冷系统10、熔炼观察机构11，捣料机构12、加料机构13、测温机构14、升液管15、液压驱动系统16、铸型升降系统17、铸型18和备用铸型19，上罐体1和下罐体3通过中隔段2隔开，上罐体1与中隔段2之间采用液压顶杆4分合，上罐体1内设有铸型升降系统17，铸型18与升液管15位于铸型升降系统17内，升液管15的顶部带有平板法兰，卡在铸型18底部的孔中，中隔段2上有孔可供升液管15穿过，中隔段2上还设有熔炼观察机构11，捣料机构12、加料机构13和测温机构14，下罐体3内设有可倾式加热线圈6、坩埚7和备用铸型19，可倾式加热线圈6与电源5连接，坩埚7位于升液管15下方，坩埚7设置于可倾式加热线圈6内，坩埚7与可倾式加热线圈6之间的空隙捣实有镁砂，可倾式加热线圈6由液压驱动系统16驱动翻转，使坩埚7中液体能够流入备用铸型19中，上罐体1和下罐体3与液面调节系统9通过管道相连，下罐体3与真空系统8通过管道相连，循环水冷系统10分别连接到上罐体1、下罐体3、中隔段2和真空系统8内。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：上罐体1与中隔段2之间、及中隔段2与下罐体3之间均采用法兰连接，法兰上设有定位销，法兰外侧设有旋转卡环锁紧。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式所述旋转卡环上设有定位孔，法兰上的定位销和旋转卡环上的定位孔相互定位，安装旋转卡环，然后进行旋转使其锁紧。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述液面调节系统采用数字组合电磁阀技术。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：利用具体实施方式一所述的装置成形的方法，按以下步骤进行：

一、在坩埚7内加入所需熔化的钛或钛合金，安装中隔段2；

二、将铸型18与升液管15装配好后，放置于上罐体1中的铸型升降系统17内，使铸型升降系统17升起，在下罐体3内装入备用铸型19；

三、安装上罐体1，将上罐体1与中隔段2、中隔段2与下罐体3之间锁紧密封；

四、利用真空系统8对上罐体1和下罐体3进行抽真空，达到5×10^-3Pa后，充入高纯氩气达到200Pa，然后开启电源5，加热熔炼坩埚内金属；

五、金属熔化后，降下铸型升降系统17使升液管15深入到金属液面之下，压紧铸型18；

六、通过液面调节系统9向下罐体3中充入高纯氩气，使金属液沿升液管15充满到铸型18中，最终成形铸件；

七、升起铸型18和升液管15，通过液压驱动系统16驱动可倾式加热线圈6和坩埚7旋转，将坩埚7内剩余的金属液浇注到备用铸型19内；

八、抽真空至5×10^-3～9×10^-2Pa，铸型18冷却至室温后通过液面调节系统9连通外界大气与罐体内气体，取出铸件。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤六所述高纯氩气的纯度为99.999％。其它与具体实施方式四相同。

实施例1：

利用具体实施方式一所述的装置成形的方法，按以下步骤进行：

一、在坩埚7内加入50kg所需熔化的Ti-1100钛合金，安装中隔段2；

二、将铸型18与升液管15装配好后，放置于上罐体1中的铸型升降系统17内，使铸型升降系统17升起，在下罐体3内装入备用铸型19；

三、安装上罐体1，将上罐体1与中隔段2、中隔段2与下罐体3之间锁紧密封；

四、利用真空系统8对上罐体1和下罐体3进行抽真空，达到5×10^-3Pa后，充入高纯氩气达到200Pa，然后开启电源5，加热熔炼坩埚内的Ti-1100钛合金；

五、钛合金熔化后，降下铸型升降系统17使升液管15深入到金属液面之下，压紧铸型18；

六、通过液面调节系统9向下罐体3中充入高纯氩气，使钛合金液沿升液管15充满到铸型18中，最终成形铸件；

七、升起铸型18和升液管15，通过液压驱动系统16驱动可倾式加热线圈6和坩埚7旋转，将坩埚7内剩余的金属液浇注到备用铸型19内；

八、抽真空至5×10^-3Pa，铸型18冷却至室温后通过液面调节系统9连通外界大气与罐体内气体，取出铸件。

步骤六所述高纯氩气的纯度为99.999％。

本实施例所述方法成形大型薄壁高温钛合金Ti-1100壳体铸件，铸件结构复杂，壳体铸件最大尺寸Φ600mm，最小壁厚达到0.5mm，突破了传统重力铸造和离心铸造的极限，使钛合金成形能力大幅提高。铸型升降系统和可倾转线圈配合可以实现剩余Ti-1100钛合金液惰性环境处理，剩余钛合金液体凝固后由于纯净度较高可以再次使用，材料的利用率和工艺出品率分别提高了50％和40％。

Claims (5)

1.一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置，其特征在于该装置包括上罐体(1)、中隔段(2)、下罐体(3)、液压顶杆(4)、电源(5)、可倾式加热线圈(6)、坩埚(7)、真空系统(8)、液面调节系统(9)、循环水冷系统(10)、熔炼观察机构(11)，捣料机构(12)、加料机构(13)、测温机构(14)、升液管(15)、液压驱动系统(16)、铸型升降系统(17)、铸型(18)和备用铸型(19)，上罐体(1)和下罐体(3)通过中隔段(2)隔开，上罐体(1)与中隔段(2)之间采用液压顶杆(4)分合，上罐体(1)内设有铸型升降系统(17)，铸型(18)与升液管(15)位于铸型升降系统(17)内，升液管(15)的顶部带有平板法兰，卡在铸型(18)底部的孔中，中隔段(2)上有孔供升液管(15)穿过，中隔段(2)上还设有熔炼观察机构(11)，捣料机构(12)、加料机构(13)和测温机构(14)，下罐体(3)内设有可倾式加热线圈(6)、坩埚(7)和备用铸型(19)，可倾式加热线圈(6)与电源(5)连接，坩埚(7)位于升液管(15)下方，坩埚(7)设置于可倾式加热线圈(6)内，坩埚(7)与可倾式加热线圈(6)之间的空隙捣实有镁砂，可倾式加热线圈(6)由液压驱动系统(16)驱动翻转，使坩埚(7)中液体能够流入备用铸型(19)中，上罐体(1)和下罐体(3)与液面调节系统(9)通过管道相连，下罐体(3)与真空系统(8)通过管道相连，循环水冷系统(10)分别连接到上罐体(1)、下罐体(3)、中隔段(2)和真空系统(8)内。

2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置，其特征在于上罐体(1)与中隔段(2)之间、及中隔段(2)与下罐体(3)之间均采用法兰连接，法兰上设有定位销，法兰外侧设有旋转卡环锁紧。

3.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金复杂薄壁铸件反重力成形装置，其特征在于所述液面调节系统采用数字组合电磁阀技术。

4.利用权利要求1所述的装置成形的方法，按以下步骤进行：

一、在坩埚(7)内加入所需熔化的钛或钛合金，安装中隔段(2)；

二、将铸型(18)与升液管(15)装配好后，放置于上罐体(1)中的铸型升降系统(17)内，使铸型升降系统(17)升起，在下罐体(3)内装入备用铸型(19)；

三、安装上罐体(1)，将上罐体(1)与中隔段(2)、中隔段(2)与下罐体(3)之间锁紧密封；

四、利用真空系统(8)对上罐体(1)和下罐体(3)进行抽真空，达到5×10^-3Pa后，充入高纯氩气达到200Pa，然后开启电源(5)，加热熔炼坩埚内金属；

五、金属熔化后，降下铸型升降系统(17)使升液管(15)深入到金属液面之下，压紧铸型(18)；

六、通过液面调节系统(9)向下罐体(3)中充入高纯氩气，使金属液沿升液管(15)充满到铸型(18)中，最终成形铸件；

七、升起铸型(18)和升液管(15)，通过液压驱动系统(16)驱动可倾式加热线圈(6)和坩埚(7)旋转，将坩埚(7)内剩余的金属液浇注到备用铸型(19)内；

八、抽真空至5×10^-3～9×10^-2Pa，铸型(18)冷却至室温后通过液面调节系统(9)连通外界大气与罐体内气体，取出铸件。

5.根据权利要求4所述的成形的方法，其特征在于步骤六所述高纯氩气的纯度为99.999％。