CN104190900A - 一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，它涉及TiAl基合金铸件的铸造方法，以解决现有的钛铝基合金排气阀的重力铸造难于使其顺利充型、内部质量难以保证，离心铸造方法工艺复杂、材料利用率低及铸造工艺过于复杂、表面质量差的技术问题，本发明主要方法是：步骤一、利用现有技术制造排气阀金属模具；步骤二、将步骤一制造的排气阀金属模具放在熔炼炉的吸铸室内，并安装在模座上；步骤三、石墨吸口安装在水冷铜坩埚上；步骤四、将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚内，熔炼得到过热熔体；步骤五、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室的真空系统，开启吸铸按钮，吸铸充型并降温，得到铸件。本发明用于制备钛铝基合金排气阀铸件。
Description
技术领域
本发明涉及TiAl基合金铸件的铸造方法。
背景技术
TiAl基合金具有这样的优异性能：比重小(3.9-4.1g/cm3)，耐高温，高温抗氧化能力强，弹性模量高等，同时，还具有较好的抗蠕变性能和一定的室温塑性和强度。这些优异的性能特征，使TiAl基合金具有更广泛的适用范围，成为近年来最具应用前景的材料之一。目前，钛合金的铸造方法主要有重力铸造、离心铸造、熔模铸造等。如汽车的排气阀、发动机气门、手表外壳、钛工艺品等，由于TiAl基合金在液态状态下流动性差，并且从液态向固态转变过程收缩量大，采用常规重力铸造方法成型TiAl基合金难度较大，铸件内容易产生缩松、缩孔等缺陷；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，而且该方法工作量大，对于设备和工装的要求较高，成本高；熔模铸造方法成型工艺过于复杂，TiAl基合金熔体会与陶瓷型壳发生反应，铸件表面质量差，后续加工周期长。这些问题的存在，使得TiAl基合金的成型和应用受到了极大程度的限制。因此，推广TiAl基合金的应用首先要解决的问题就是开发一种简便易行的成型方法。
发明内容
本发明为解决现有的钛铝基合金排气阀的重力铸造难于使其顺利充型、内部质量难以保证，离心铸造方法工艺复杂、材料利用率低及铸造工艺过于复杂、表面质量差的技术问题，进而提供一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法是按照以下步骤进行：
步骤一、制造排气阀金属模具，排气阀金属模具的中部加工有型腔，排气阀金属模具的内部加工有两个排气通道，两个排气通道并列布置在型腔的两侧，排气通道的上端与型腔连通，排气通道的下端与模具的底部相抵，模具的上表面开有环形密封凹槽，排气阀金属模具的浇口位于环形密封凹槽内；
步骤二、将第一密封圈安装在模座上，将第二密封圈安装在环形密封凹槽内，熔炼炉的吸铸室安装在模座上，将步骤一制造的排气阀金属模具7放在熔炼炉的吸铸室内，并安装在模座上；
步骤三、石墨吸口安装在水冷铜坩埚上，使石墨吸口与排气阀金属模具的浇口对准；
步骤四、将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚内，再将熔炼室抽真空至0.02Pa～0.5Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，将锭块重新熔炼，熔炼电流为100A～500A，熔炼2min～4min后，增大电弧电流至400A～650A，并保持1min～2min，得到过热熔体；
步骤五、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室的真空系统，开启吸铸按钮，同时将熔炼电流增加至600～850A，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，通过石墨吸口迅速充满排气阀金属模具的型腔，待排气阀金属模具的型腔内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，打开排气阀金属模具，得到铸件。
本发明的有益效果是：本发明的实际操作过程是在非自耗真空电弧炉中进行，设备简单，容易操作，无需复杂的工装和配套装置，简便易行。
本发明的排气阀模具采用金属模具，避免了制作陶瓷型壳复杂的工艺和冗繁的工序，生产效率高；熔炼的合金熔体与排气阀模具不发生反应，制备的排气阀铸件表面质量好，后续加工少；经显微结构观察，冷却速度快，铸件晶粒细小，组织致密。
本发明的合金熔炼在氩气的真空保护下进行，合金熔体不易氧化，低熔点元素挥发量小；合金的熔炼在水冷铜坩埚中进行，与坩埚接触的TiAl基合金会形成薄薄一层凝壳，将合金熔体与坩埚隔开，防止合金熔体受到污染。整个过程，合金熔体受到间隙元素影响小、合金纯净度高，铝挥发量小、成分容易保证。
本发明由于排气阀模具设有有通气通道，因此排气阀模具内产生负压，液态的钛合金或钛铝基合金在自身重力和压差的作用下，定向流动，向排气阀模具的型腔中浇注金属液，并将排气阀铸件型腔填满；待铸件冷却一段时间后，释放真空，打开排气阀模具，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。
本发明中合金熔体在重力与气体压力双重作用下充型，充型速度快，充型能力强，所需要的过热度低。合金熔体充型后在正压力场下凝固，补缩能力好，减少了缩孔、缩松等缺陷的产生。本发明能够广泛应用到钛铝基合金排气阀铸件的生产上，铸件的成形质量高，优于熔模精密铸造的精度。本发明的成品率≥92％。
附图说明
图1是钛铝基合金铸造熔炼与吸铸原理示意图(图中：1是钨极，2是熔炼室，3是水冷铜坩埚，3-1是吸铸坩埚，4是合金熔体，5是石墨吸口，6是第二密封圈，7是排气阀模具，8是吸铸室，9是第一密封圈，10是模座，11是循环水，7-1是型腔，7-2是浇口，7-3是排气通道，7-4是环形密封凹槽)，图2是本发明真空吸铸制备的Ti-47Al-2Cr-2Nb排气阀的实物照片示意图，图3是本发明真空吸铸制备的Ti-47Al-2Cr-2Nb排气阀的半剖面实物照片示意图，图4是本发明真空吸铸制备的Ti-47Al-2Cr-2Nb排气阀的宏观组织图，图5是本发明真空吸铸制备的Ti-47Al-2Cr-2Nb排气阀经机加工后的实物照片示意图，图6是本发明真空吸铸制备的Ti-47Al-2W-0.5Si排气阀的经机加工后的实物照片示意图，图7是本发明真空吸铸制备的Ti-47Al-5Nb-0.5Si排气阀的实物照片示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明，本实施方式的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法是按照以下步骤进行：
步骤一、制造排气阀金属模具7，排气阀金属模具7的中部加工有型腔7-1，排气阀金属模具7的内部加工有两个排气通道7-3，两个排气通道7-3并列布置在型腔7-1的两侧，排气通道7-3的上端与型腔7-1连通，排气通道7-3的下端与模具7的底部相抵，模具7的上表面开有环形密封凹槽7-4，排气阀金属模具7的浇口7-2位于环形密封凹槽7-4内；
步骤二、将第一密封圈9安装在模座10上，将第二密封圈6安装在环形密封凹槽7-4内，熔炼炉的吸铸室8安装在模座10上，将步骤一制造的排气阀金属模具7放在熔炼炉的吸铸室8内，并安装在模座10上；
步骤三、石墨吸口5安装在水冷铜坩埚3上，使石墨吸口5与排气阀金属模具7的浇口7-2对准；
步骤四、将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内，再将熔炼室2抽真空至0.02Pa～0.5Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，将锭块重新熔炼，熔炼电流为100A～500A，熔炼2min～4min后，增大电弧电流至400A～650A，并保持1min～2min，得到过热熔体；
步骤五、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室8的真空系统，开启吸铸按钮，同时将熔炼电流增加至600～850A，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，通过石墨吸口迅速充满排气阀金属模具7的型腔7-1，待排气阀金属模具7的型腔7-1内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，打开排气阀金属模具7，得到铸件。
本实施方式的方法在真空条件下充型，避免了钛铝基合金发生氧化；重力与气体压力叠加，具有很强的充型能力；具有生产率高、结构简单、操作方便、成本低的优点。图2、图3、图4分别是本实施方式吸铸成形的Ti-47Al-2Cr-2Nb排气阀的实物照片、实物剖面图和宏观组织结构图；经探伤检测内部质量好，无气孔，缩孔缺陷，成品率≥92％。
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三中，选用直径5mm的石墨吸口。其它步骤和参数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四中步骤四中将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3内，再将熔炼室2抽真空至0.1Pa～0.4Pa。其它步骤和参数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将步骤四中将预先熔炼好的Ti-47Al-2Cr-2Nb纽扣锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至5Pa以下，再向熔炼室2内充填氩气，开启真空系统将氩气抽除，充气和抽气各进行两次，最后抽真空至0.02Pa～0.1Pa，再进行熔炼。其它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四中将预先熔炼好的Ti-47Al-2Cr-2Nb纽扣锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内，再将熔炼室抽真空至10Pa以下，再向熔炼室2内充填氩气，开启真空系统将氩气抽走，充气和抽气各进行三次，最后抽真空至0.02Pa～0.1Pa，再进行熔炼。其它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五之一不同的是步骤四中熔炼电流为300A，熔炼2min后，增大电弧电流至400A～600A，并保持1min～2min，得到过热熔体。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中熔炼电流为150-480A，熔炼2.5-2.8min后，增大电弧电流至450A～600A，并保持1min～2min，得到过热熔体。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤四中熔炼电流为300A，熔炼3min后，增大电弧电流至525A，并保持1.5min，得到过热熔体。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
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五将熔炼电流增加至700A。其它步骤和参数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选用真空感应凝壳炉离心浇注的Ti-47Al-2Cr-2Nb棒状铸锭作为吸铸母合金放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内。其它步骤和参数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选用真空感应凝壳炉离心浇注的Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5TiB2(Vol％)棒状铸锭作为吸铸母合金放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内。其它步骤和参数与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十三：结合图1和图6，本实施方式的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法是按照以下步骤进行:
步骤一、制造排气阀金属模具7，排气阀金属模具7的中部加工有型腔7-1，排气阀金属模具7的内部加工有两个排气通道7-3，两个排气通道7-3并列布置在型腔7-1的两侧，排气通道7-3的上端与型腔7-1连通，排气通道7-3的下端与排气阀金属模具7的底部相抵，排气阀金属模具7的上表面开有环形密封凹槽7-4，排气阀金属模具7的浇口7-2位于环形密封凹槽7-4内；
步骤二、将第一密封圈9安装在模座10上，将第二密封圈6安装在环形密封凹槽7-4内，熔炼炉的吸铸室8安装在模座10上，将步骤一制造的排气阀金属模具7放在熔炼炉的吸铸室8内，并安装在模座10上；
步骤三、石墨吸口5安装在水冷铜坩埚3上，石墨吸口的直径为4mm，使石墨吸口5和排气阀金属模具7的浇口7-2对准；
步骤四、将用非自耗电弧炉熔炼好的Ti-47Al-2W-0.5Si纽扣锭放入非自耗真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内，再将熔炼室2抽真空至0.02Pa～0.5Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，将纽扣锭重新熔炼，熔炼电流为250A～450A，熔炼2min～3min后，增大电弧电流至450A～650A，并保持1min～2min，得到过热熔体；
步骤五、开启非自耗真空电弧熔炼炉的吸铸室8的真空系统，开启吸铸按钮，同时将熔炼电流增加至600～800A，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，通过石墨吸迅快速充满排气阀金属模具7的型腔7-1，待排气阀金属模具7的型腔7-1内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，打开排气阀金属模具7，得到铸件。
本实施方式的得到的Ti-47Al-2W-0.5Si合金排气阀铸件充型完整，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，避免了钛铝基合金发生氧化；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。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同的是骤四中选用真空自耗电弧炉熔炼好的Ti-47Al-2W-0.5Si铸锭作为吸铸母合金放入吸铸坩埚3-1内。其它步骤和参数与具体实施方式十三相同。
具体实施方式十五：结合图1和图7，本实施方式的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法是按照以下步骤进行：
步骤一、制造排气阀金属模具7，排气阀金属模具7的中部加工有型腔7-1，排气阀金属模具7的内部加工有两个排气通道7-3，两个排气通道7-3并列布置在型腔7-1的两侧，排气通道7-3的上端与型腔7-1连通，排气通道7-3的下端与排气阀金属模具7的底部相抵，排气阀金属模具7的上表面开有环形密封凹槽7-4，排气阀金属模具7的浇口7-2位于环形密封凹槽7-4内；
步骤二、将第一密封圈9安装在模座10上，将第二密封圈6安装在环形密封凹槽7-4内，熔炼炉的吸铸室8安装在模座10上，将步骤一制造的排气阀金属模具7放在熔炼炉的吸铸室8内，并安装在模座10上；
步骤三、石墨吸口5安装在水冷铜坩埚3上，石墨吸口的直径为5mm，使石墨吸口5和排气阀金属模具7的浇口7-2对准；
步骤四、首先将排气阀金属模具7预热到400℃，关闭吸铸室的炉门，将用非自耗电弧炉熔炼好的Ti-47Al-5Nb-0.5Si纽扣锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内，再将熔炼室2抽真空至0.02Pa～0.5Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，将纽扣锭重新熔炼，熔炼电流为300A～500A，熔炼3min～4min后，增大电弧电流至500A～650A，并保持1min～2min，得到过热熔体；
步骤五、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室8的真空系统，开启吸铸按钮，同时将熔炼电流增加至650～850A，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，通过石墨吸迅快速充满排气阀金属模具7的型腔7-1，待排气阀金属模具7的型腔7-1内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，打开排气阀金属模具7，得到铸件。
本实施方式的得到的Ti-47Al-5Nb-0.5Si合金排气阀铸件充型完整，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96％。
本实施方式的方法在真空条件下充型，避免了钛铝基合金发生氧化；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。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十五不同的是步骤三中石墨吸口5由氮化硼制成。耐高温，耐高压，熔点高。其它步骤和参数与具体实施方式十五相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十五不同的是骤四中选用非自耗电弧炉熔炼的Ti-45Al-5Nb-0.5Y纽扣锭作为吸铸母合金放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-1内。其它步骤和参数与具体实施方式十五相同。
本实施方式的得到的Ti-45Al-5Nb-0.5Y合金排气阀铸件充型完整，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％。
本实施方式的方法在真空条件下充型，避免了钛铝基合金发生氧化；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。
Claims (8)
1.一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：TiAl基合金排气阀的铸造成形方法是按照以下步骤进行：
步骤一、制造排气阀金属模具(7)，排气阀金属模具(7)的中部加工有型腔(7-1)，排气阀金属模具(7)的内部加工有两个排气通道(7-3)，两个排气通道(7-3)并列布置在型腔(7-1)的两侧，排气通道(7-3)的上端与型腔(7-1)连通，排气通道(7-3)的下端与模具(7)的底部相抵，模具(7)的上表面开有环形密封凹槽(7-4)，排气阀金属模具(7)的浇口(7-2)位于环形密封凹槽(7-4)内；
步骤二、将第一密封圈(9)安装在模座(10)上，将第二密封圈(6)安装在环形密封凹槽(7-4)内，熔炼炉的吸铸室(8)安装在模座(10)上，将步骤一制造的排气阀金属模具(7)放在熔炼炉的吸铸室(8)内，并安装在模座(10)上；
步骤三、石墨吸口(5)安装在水冷铜坩埚(3)上，使石墨吸口(5)与排气阀金属模具(7)的浇口(7-2)对准；
步骤四、将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚(3-1)内，再将熔炼室(2)抽真空至0.02Pa～0.5Pa，接着通入保护气体至压力为40kPa～60kPa，将锭块重新熔炼，熔炼电流为100A～500A，熔炼2min～4min后，增大电弧电流至400A～650A，并保持1min～2min，得到过热熔体；
步骤五、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室(8)的真空系统，开启吸铸按钮，同时将熔炼电流增加至600～850A，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，通过石墨吸口迅速充满排气阀金属模具(7)的型腔(7-1)，待排气阀金属模具(7)的型腔(7-1)内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，打开排气阀金属模具(7)，得到铸件。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤四中将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入非自耗真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚(3-1)内，再将熔炼室(2)抽真空至0.1Pa～0.4Pa。
3.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤四中通入保护气体至压力为42kPa～58kPa。
4.根据权利要求3所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤四中将预先熔炼好的TiAl基合金锭放入真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚(3-1)内，先将熔炼室(2)抽真空至5Pa以下，再向熔炼室(2)内充填氩气，开启真空系统将氩气抽除，充气和抽气各进行两次，最后抽真空至0.02Pa～0.1Pa，再进行熔炼。
5.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤四中熔炼电流为300A，熔炼2min后，增大电弧电流至400A～600A，并保持1min～2min，得到过热熔体。
6.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤四中熔炼电流为150-480A，熔炼2.5-2.8min后，增大电弧电流至450A～600A，并保持1min～2min，得到过热熔体。
7.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤四中熔炼电流为300A，熔炼3min后，增大电弧电流至525A，并保持1.5min，得到过热熔体。
8.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金排气阀的铸造成形方法，其特征在于：步骤五将熔炼电流增加至700A。
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