CN104923732B - 一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铸造技术领域，涉及对带有异形内孔的钛或钛合金铸件铸造方法的改进。其特征在于，采用熔模铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：制备镶嵌体；压制蜡型；制壳；浇注；切割。本发明提供了一种改进的带有异形内孔的钛或钛合金铸件铸造方法，能避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证了铸件的性能和使用的可靠性。

Description

一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的铸造方法
技术领域
本发明属于铸造技术领域，涉及对带有异形内孔的钛或钛合金铸件铸造方法的改进。
背景技术
随着工业的发展，钛合金铸件的形体和结构趋于大型、整体和薄壁方向发展，对铸造工艺生产有复杂内腔的钛合金铸件提出更高的要求。图1是一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的局部剖视图，在铸件1的内部有异形内孔1a。为了成型异形内孔1a，通常，钛合金铸件的复杂内腔主要有两种成形方式：第一种、陶瓷型芯法，在铸件有内腔的位置预置陶瓷型芯，在铸件成形后脱除。其缺点是：该方法易出现脱芯难、成本高、效率低等问题。第二种、金属型芯法，将金属管预先安装在铸型内，利用铸件浇注充型过程使金属熔液和镶嵌体熔合为一个整体，而金属管的内腔则成为铸件的内腔，如中国发明专利CN102806311 A申请公开的一种钛合金熔模铸件复杂管道成形工艺。其缺点是：第一、虽然该方法对于内腔直径≤10mm的铸件可一次成形，但金属管与铸件之间的熔合效果很差，金属管与铸件本体之间存在≤0.05mm的结合间隙，直接影响铸件的性能和使用的可靠性。第二、难以成型具有异形内腔的铸件。
发明内容
本发明的目的是：提供一种改进的带有异形内孔的钛或钛合金铸件铸造方法，以便避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证铸件的性能和使用的可靠性。
本发明的技术方案是：一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的铸造方法，所铸造的铸件1的内部带有铸件异形内孔1a；其特征在于，采用熔模铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、根据铸件的三维模型建立镶嵌体3的三维模型，采用机械加工方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔2,镶嵌体异形内孔2的形状和尺寸与铸件异形内孔1a的形状和尺寸相同；镶嵌体毛坯带有通孔定位端和实心定位端，通孔定位端由通孔镶嵌部分3a和通孔定位部分3b组成，通孔镶嵌部分3a被包裹在铸件1内部，是构成镶嵌体异形内孔2的一部分，通孔定位部分3b伸出铸件1表面的外面，通孔定位部分3b的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t＝5mm～20mm,实心定位端由实心镶嵌部分3c和实心定位部分3d组成，实心镶嵌部分3c被包裹在铸件1内部，实心定位部分3d伸出铸件1表面的外面，实心定位部分3d的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t；镶嵌体毛坯的壁厚为1mm～5mm；镶嵌体3的材质为钛或与钛合金铸件相同的材质；
1.2、在镶嵌体的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1～0.7:1，镶嵌体毛坯的通孔定位部分3b和实心定位部分3d不开槽,镶嵌体其余表面的开槽率为30％～70％；
2、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作蜡型模具，利用通孔定位部分3b和实心定位部分3d将镶嵌体3固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌体3的蜡型4，镶嵌体3上的通孔镶嵌部分3a和实心镶嵌部分3c被蜡包覆，通孔定位部分3b和实心定位部分3d未被蜡包覆；
3、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，脱蜡后，镶嵌体3通过通孔定位部分3b和实心定位部分3d固定在型壳内腔中；型壳培烧温度为700～950℃；
4、浇注：按照正常的浇注工艺进行浇注；
5、切割：将铸件上残留的浇注系统、通孔定位部分3b和实心定位部分3d切除获得钛或钛合金铸件。
本发明的优点是：提供了一种改进的带有异形内孔的钛或钛合金铸件铸造方法，能避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证了铸件的性能和使用的可靠性。
附图说明
图1是一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的局部剖视图。
图2是本发明中镶嵌体上的沟槽的结构示意图。
图3是本发明中铸件蜡型的局部结构示意图，镶嵌体3被蜡包裹。
图4是采用本发明方法成型的钛或钛合金铸件的局部剖视图。
图中：1、铸件，1a、铸件异形内孔，2、镶嵌体异形内孔，3、镶嵌体，3a、通孔镶嵌部分，3b、通孔定位部分，3c、实心镶嵌部分，3d、实心定位部分，4、沟槽，5、蜡型，h、深度，w、宽度。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1至图4，一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的铸造方法，所铸造的铸件1的内部带有铸件异形内孔1a；其特征在于，采用熔模铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、根据铸件的三维模型建立镶嵌体3的三维模型，采用机械加工方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔2,镶嵌体异形内孔2的形状和尺寸与铸件异形内孔1a的形状和尺寸相同；镶嵌体毛坯带有通孔定位端和实心定位端，通孔定位端由通孔镶嵌部分3a和通孔定位部分3b组成，通孔镶嵌部分3a被包裹在铸件1内部，是构成镶嵌体异形内孔2的一部分，通孔定位部分3b伸出铸件1表面的外面，通孔定位部分3b的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t＝5mm～20mm,实心定位端由实心镶嵌部分3c和实心定位部分3d组成，实心镶嵌部分3c被包裹在铸件1内部，实心定位部分3d伸出铸件1表面的外面，实心定位部分3d的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t；镶嵌体毛坯的壁厚为1mm～5mm；镶嵌体3的材质为钛或与钛合金铸件相同的材质；
1.2、在镶嵌体的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1～0.7:1，镶嵌体毛坯的通孔定位部分3b和实心定位部分3d不开槽,镶嵌体其余表面的开槽率为30％～70％；
2、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作蜡型模具，利用通孔定位部分3b和实心定位部分3d将镶嵌体3固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌体3的蜡型4，镶嵌体3上的通孔镶嵌部分3a和实心镶嵌部分3c被蜡包覆，通孔定位部分3b和实心定位部分3d未被蜡包覆；
3、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，脱蜡后，镶嵌体3通过通孔定位部分3b和实心定位部分3d固定在型壳内腔中；型壳培烧温度为700～950℃；
4、浇注：按照正常的浇注工艺进行浇注，其中离心转速为150～400转/分；
5、切割：将铸件上残留的浇注系统、通孔定位部分3b和实心定位部分3d切除获得钛或钛合金铸件。
本发明的工作原理是：通过在镶嵌体表面增加沟槽，使镶嵌体与浇注的金属液接触的界面处蓄热能力增加，升温速度得到提高的同时降温时间也得到了推迟，从而在高温维持的时间更长，有利于镶嵌体与铸件之间形成更好的冶金结合。同时这种沟槽结构还可以使得铸件与镶嵌体之间出现相互阻力约束，使得界面结合更为牢固，有利于提高铸件的强度。
实施例1
一种有细长不等径贯通内孔的Ti6Al4V钛合金铸件的制备方法，具体制备步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、根据铸件的三维模型建立镶嵌体的三维模型，对于细长不等径贯通内孔可以采用压力胀形的方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔,镶嵌体异形内孔的形状和尺寸与铸件异形内孔的形状和尺寸相同；由于镶嵌体异形内孔为贯通式，分别向铸件表面外延长两侧的内孔结构作为左通孔定位部分和右通孔定位部分，左通孔定位部分的长度是在铸件左表面的基础上向左延长10mm，右通孔定位部分的长度是在铸件右表面的基础上向右延长10mm，由于两侧通孔定位部分可满足镶嵌体定位稳固，无需额外在镶嵌体毛坯上增加实心定位端。镶嵌体毛坯的厚度为3mm；镶嵌体的材质为TA2纯钛；
将制成的镶嵌体毛坯进行退火处理，以消除残余应力，防止镶嵌体毛坯变形。根据镶嵌体的材质，退火温度为700℃，保温4小时后随炉冷却到室温；
1.2、在镶嵌体的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h为0.6mm，宽度w为3mm，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1，镶嵌体的左通孔定位部分和右通孔定位部分不开槽，镶嵌体其余部分的开槽率为30％。对加工后的镶嵌体进行超声清洗，去除油污；
2、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作蜡型模具，对镶嵌体的左通孔定位部分端口和右通孔定位部分端口进行封堵，利用左通孔定位部分和右通孔定位部分将镶嵌体固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌体的蜡型，左通孔定位部分和右通孔定位部分未被蜡包覆；
3、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，型壳脱蜡后，镶嵌体通过左通孔定位部分和右通孔定位部分固定在型壳内腔中；型壳培烧温度为700℃；
4、浇注：按照正常的浇注工艺进行浇注；钛合金铸件浇注在真空环境下进行，真空度小于6Pa，采用离心浇注方式，其中离心转速为150转/分。
5、切割：将铸件上残留的浇注系统、左通孔定位部分和右通孔定位部分切除获得含有异形内孔的Ti6Al4V钛合金铸件。
根据此工艺，分别用原始态的镶嵌体和开槽处理后的镶嵌体制备含异形内孔的钛合金铸件，铸件的力学性能对比见表1。可见，通过在镶嵌体表面增加沟槽，可使得界面结合更为牢固，有利于提高铸件的强度。
表1含异形内孔的Ti6Al4V铸件拉伸性能对比
实施例2
一种有葫芦形内腔的Ti6Al4V钛合金铸件的制备方法，具体制备步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、根据铸件的三维模型建立镶嵌体的三维模型，由于铸件内腔为单侧贯通的葫芦形曲面内腔，沿葫芦形内腔的长轴方向将内腔分为两部分，采用冲压的方法分别制作镶嵌体毛坯的异形曲面，然后将两部分焊接在一起，使镶嵌体毛坯内腔与Ti6Al4V铸件异形内腔的形状和尺寸相同。镶嵌体毛坯的厚度为5mm；镶嵌体的材质与铸件相同；延伸镶嵌体毛坯贯通侧作为通孔定位部分，长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长20mm。为保证镶嵌体定位稳固，在镶嵌体毛坯另一侧上不影响铸型制备的位置焊接一个实心定位端，实心定位端由实心镶嵌部分和实心定位部分构成，实心镶嵌部分的长度与该位置铸件壁厚相同，实心定位部分的长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长20mm，实心定位端与镶嵌体毛坯同材料；
将制成的镶嵌体毛坯进行退火处理，以消除残余应力，防止镶嵌体毛坯变形。根据镶嵌体的材质，退火温度为850℃，保温时间2小时后随炉冷却到室温；
1.2、在镶嵌体的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h为2mm，宽度w为2.9mm，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.69:1，镶嵌体的通孔定位部分和实心定位部分不开槽，镶嵌体其余部分的开槽率为55％。对加工后的镶嵌体进行超声清洗，去除油污；
2、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作蜡型模具，对镶嵌体的通孔定位部分端口进行封堵，利用通孔定位部分和实心定位部分将镶嵌体固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌体的蜡型，其中通孔定位部分和实心定位部分未被蜡包覆；
3、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，型壳脱蜡后，镶嵌体通过通孔定位部分和实心定位部分固定在型壳内腔中；型壳培烧温度为950℃；
4、浇注：按照正常的浇注工艺进行浇注；钛合金铸件浇注在真空环境下进行，真空度小于6Pa，采用重力浇注方式。
5、切割：将铸件上残留的浇注系统、通孔定位部分和实心定位部分切除获得含有异形内孔的钛合金铸件。
根据此工艺，分别用原始态的镶嵌体和开槽处理后的镶嵌体制备含异形内孔的钛合金铸件，铸件的力学性能对比见表2。可见，通过在镶嵌体表面增加沟槽，可使得界面结合更为牢固，有利于提高铸件的强度。
表2含异形内孔的Ti6Al4V铸件拉伸性能对比
实施例3
一种有U形贯通内孔的ZTA15钛合金铸件的制备方法，具体制备步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、根据铸件的三维模型建立镶嵌体的三维模型，对于U形贯通内孔可以采用热加工的方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔,镶嵌体异形内孔的形状和尺寸与铸件异形内孔的形状和尺寸相同；由于镶嵌体异形内孔为贯通式，向铸件表面外延长两个内孔结构作为通孔定位部分，长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长5mm。为保证镶嵌体定位稳固，在镶嵌体毛坯另一侧上不影响铸型制备的位置焊接一个实心定位端，实心定位端由实心镶嵌部分和实心定位部分构成，实心镶嵌部分的长度与该位置铸件壁厚相同，实心定位部分的长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长5mm，实心定位端与镶嵌体毛坯同材料，镶嵌体毛坯的厚度为2mm；镶嵌体的材质为TA1纯钛；
将制成的镶嵌体毛坯进行退火处理，以消除残余应力，防止镶嵌体毛坯变形。根据镶嵌体的材质，退火温度为800℃，保温时间3小时后随炉冷却到室温；
1.2、在镶嵌体的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h为1mm，宽度w为2mm，沟槽的深度h和宽度比为h/w＝0.5:1，镶嵌体的通孔定位部分和实心定位部分不开槽，镶嵌体其余部分的开槽率为70％。对加工后的镶嵌体进行超声清洗，去除油污；
2、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作蜡型模具，对镶嵌体的通孔定位部分端口和实心定位部分端口进行封堵，利用通孔定位部分和实心定位部分将镶嵌体固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌体的蜡型，通孔定位部分和实心定位部分未被蜡包覆；
3、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，型壳脱蜡后，镶嵌体通过通孔定位部分和实心定位部分固定在型壳内腔中；型壳培烧温度为850℃；
4、浇注：按照正常的浇注工艺进行浇注；钛合金铸件浇注在真空环境下进行，真空度小于6Pa，采用离心浇注方式，其中离心转速为300转/分。
5、切割：将铸件上残留的浇注系统、通孔定位部分和实心定位部分切除获得含有异形内孔的ZTA15钛合金铸件。
根据此工艺，分别用原始态的镶嵌体和开槽处理后的镶嵌体制备含异形内孔的钛合金铸件，铸件的力学性能对比见表3。可见，通过在镶嵌体表面增加沟槽，可使得界面结合更为牢固，有利于提高铸件的强度。
表3含异形内孔的ZTA15铸件拉伸性能对比

Claims (1)

1.一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的铸造方法，所铸造的铸件(1)的内部带有铸件异形内孔(1a)；其特征在于，采用熔模铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：
1.1、制备镶嵌体：
1.1.1、根据铸件的三维模型建立镶嵌体(3)的三维模型，采用机械加工方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔(2),镶嵌体异形内孔(2)的形状和尺寸与铸件异形内孔(1a)的形状和尺寸相同；镶嵌体毛坯带有通孔定位端和实心定位端，通孔定位端由通孔镶嵌部分(3a)和通孔定位部分(3b)组成，通孔镶嵌部分(3a)被包裹在铸件(1)内部，是构成铸件(1)的异形内孔(1a)的一部分，通孔定位部分(3b)伸出铸件(1)表面的外面，通孔定位部分(3b)的长度是在铸件(1)表面的基础上向表面外延长t＝5mm～20mm,实心定位端由实心镶嵌部分(3c)和实心定位部分(3d)组成，实心镶嵌部分(3c)被包裹在铸件(1)内部，实心定位部分(3d)伸出铸件(1)表面的外面，实心定位部分(3d)的长度是在铸件(1)表面的基础上向表面外延长t；镶嵌体毛坯的壁厚为1mm～5mm；镶嵌体(3)的材质为钛或与钛合金铸件相同的材质；
1.1.2、在镶嵌体的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1～0.7:1，镶嵌体的通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)不开槽,镶嵌体其余表面的开槽率为30％～70％；
1.2、压制蜡型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作蜡型模具，利用通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)将镶嵌体(3)固定在蜡型模具中，压制出含有镶嵌体(3)的蜡型(4)，镶嵌体(3)上的通孔镶嵌部分(3a)和实心镶嵌部分(3c)被蜡包覆，通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)未被蜡包覆；
1.3、制壳：按照正常的型壳制造工序制造型壳，脱蜡后，镶嵌体(3)通过通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)固定在型壳内腔中；型壳培烧温度为700～950℃；
1.4、浇注：按照正常的浇注工艺进行浇注；
1.5、切割：将铸件上残留的浇注系统、通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)切除获得钛或钛合金铸件。
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