CN105880527A

CN105880527A - 一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法

Info

Publication number: CN105880527A
Application number: CN201610381110.6A
Authority: CN
Inventors: 李伟东; 朱学明; 郑韫; 孙宏喆; 杨红霞; 刘茵琪
Original assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Current assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: CN105880527B

Abstract

一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，将钛合金原料加工成若干蒙皮筋板单元后，采用铸造的方法将各蒙皮筋板单元黏接起来得到钛铸件成品，各蒙皮筋板单元的加工步骤为：选材、蒙皮制作、石墨模具加工、石墨模具除气和浇注组型。本发明工艺路线新颖，从钛合金轧板蒙皮设计、石墨模型设计及钛合金熔炼浇注三方综合控制大型薄壁筋板蒙皮类钛合金制品的成型过程，可以避免浇不足及常规大型薄壁钛铸件的变形问题，也可以避免常规方法铸造大型薄壁钛铸件夹渣及表面裂纹情况的发生。

Description

一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法

技术领域

本发明涉及钛合金的铸造成型方法，尤其适用于大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法。

背景技术

大型薄壁钛铸件在航空航天领域应用越来越多，但是该类铸件生产较为困难，其生产瓶颈主要有以下两点：

（1）浇注冲型困难：大型薄壁钛铸件在浇注冲型过程中铸件极易出现浇不足的情况，从而会直接导致铸件的报废；

（2）变形：铸件在生产过程中影响铸件产生变形的因素主要有以下几个方面：

①凝固收缩变形：在浇注后的凝固收缩过程中会对铸件造成一定的变形；

②热等静压变形：铸件在热等静压过程中，会对铸件造成一定的变形；

③ 探伤及缺陷处理引起的变形：铸件经浇注及热等静压后会存在一定的缺陷，而铸件在缺陷处理过程中会造成一定程度的变形。

该类铸件壁较薄且尺寸较大，无论何种因素引起的铸件变形，都会对铸件校变形工序带来巨大的麻烦，且极易造成铸件的报废。

基于上述问题，常规的钛合金铸造生产工艺已不能满足该类铸件的要求，因此迫切需要寻求一种新的成型方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，该方法是将所要铸造的完整的铸件分成几部分，对各部分分别进行加工，然后再用铸造的方法将各部分黏接起来，进而得到最终的钛铸件，采用该方法可以避免浇不足及常规大型薄壁钛铸件的变形问题，也可以避免常规方法铸造大型薄壁钛铸件夹渣及表面裂纹情况的发生。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，将钛合金原料加工成若干蒙皮筋板单元后，采用铸造的方法将各蒙皮筋板单元黏接起来得到钛铸件成品，所述蒙皮筋板单元的加工方法包括如下步骤：

步骤一：制作厚度小于4mm的钛合金蒙皮，并在钛合金蒙皮上预设筋板的位置处钻设多个圆孔；

步骤二：根据步骤一制作的钛合金蒙皮的尺寸制作石墨模具，石墨模具的尺寸公差精度为±0.1mm，在石墨模具中设置筋板槽，筋板槽和石墨模具的浇注口连通；

步骤三：采用真空除气炉对步骤二所制作的石墨模具进行除气处理，除去石墨模具中的水分及挥发物；

步骤四：将步骤一所制作的钛合金蒙皮安装在经步骤三处理过的石墨模具中，使得钛合金蒙皮上的圆孔和石墨模具上的筋板槽位置相对应，并用夹板将石墨模具装夹牢固；

步骤五：采用真空自耗电弧炉二次熔炼的钛合金铸锭，在真空自耗凝壳炉中对步骤四装夹后的石墨模具进行筋板的浇铸，在浇铸液流入筋板槽的同时进入钛合金蒙皮上与筋板槽相对应的圆孔中，其中真空自耗凝壳炉的真空度控制在0.9Pa，熔化电流为22kA，浇铸完成后，随炉冷却2小时，待铸件冷却至300℃以下出炉即可得到蒙皮筋板单元。

进一步的，所述钛合金原料为TC4钛合金，其化学成分为：Al 5.5~6.5%、V 3.5~4.5%、Fe 0.3%、C 0.08%、N 0.05%、H 0.015%、O 0.2%、其它杂质0.4%、剩余为Ti。

进一步的，除气处理的方法是：将步骤二所制作的石墨模具放置于900℃~1000℃的真空除气炉中保温8小时，然后待石墨模具随炉冷却至100℃以下出炉。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，本发明工艺路线新颖，首次采用全新工艺设计理念，从钛合金轧板蒙皮设计、石墨模型设计及钛合金熔炼浇铸三方综合控制大型薄壁筋板蒙皮类钛合金制品的成型过程；

第二，本发明的方法避免了浇不足情况的发生；避免了常规大型薄壁钛铸件变形问题的发生；同时，由于钛合金板是经过轧制而成，因此其内部质量较好，避免了常规方法铸造大型薄壁件夹渣及表面裂纹情况的发生；采用该种方式生产的大型薄壁钛制品具有以下优势：钛制品充型较为完整，无变形，无内部缺陷。

第三，利用本发明所述方法生产的钛铸件易于冲型，铸件尺寸精度可以得到较好的控制，蒙皮厚度均匀，表面精度高；能够有效预防变形，其原因在于：浇注后的凝固收缩相对较小，由此引起的变形也相对较小；在浇注后，铸件蒙皮无需探伤及缺陷处理，因此可以减少蒙皮缺陷补焊造成的变形；同时铸件无需热等静压，只需对网格筋板进行探伤与缺陷处理即可。

第四，蒙皮上开设与筋板位置对应的圆孔后，在浇注的过程中，浇铸液可以进入并填充圆孔，使得筋板和蒙皮之间的结合更加牢固。

具体实施方式

下面通过具体的实施例，对本发明所述的成型方法作进一步的说明。

实施例1：一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，将所要铸造的完整的铸件分成多个蒙皮筋板单元，对各蒙皮筋板单元分别进行加工成型，然后再用铸造的方法将各部分黏接起来，进而得到最终的大型薄壁蒙皮筋板钛铸件。

其中，对于单个蒙皮筋板单元的钛铸件采用以下方法成型：

步骤一：钛合金原料的选择，以TC4钛合金为原料，并且采用ZH-150真空自耗电弧炉二次熔炼的铸锭，所获得的铸锭其化学成分为：Al 5.5%、V 3.5%、Fe 0.3%、C 0.08%、N 0.05%、H 0.015%、O 0.2%、其它杂质0.4%，剩余为Ti；

步骤二：蒙皮成型，利用步骤一所述的钛合金原料，采用热轧的生产工艺方法制作尺寸为228*210*2mm的蒙皮，并在蒙皮的两端钻设两排尺寸为φ4的圆孔，其中每排设置10个圆孔；

步骤三：石墨模具的加工，根据步骤二所制作的蒙皮的尺寸设计制作石墨模具，并在石墨模具上与蒙皮上圆孔相对应的位置设置筋板槽，筋板槽深度为20mm，宽度为4mm，石墨模具的浇注系统包括浇口、一条直径为35mm的主浇道和一条直径为30mm的横浇道，横浇道的两端与所述的筋板槽连通，采用数控机床对所设计的石墨模具进行机械加工，石墨模具尺寸公差精度为±0.1mm；

步骤四：石墨模具真空除气，采用真空除气炉对所设计加工的石墨模具进行除气处理，将步骤三所制得的石墨模具放置于1000℃的真空除气炉中，在真空条件下，保温8小时，以去除石墨模具中的水分及挥发物，待石墨模具降至100℃以下时出炉；

步骤五：石墨模具与蒙皮组型固定，将步骤二制作的蒙皮放置于步骤四处理后的石墨模具中，使得蒙皮上的两排圆孔和石墨模具中的两条筋板槽相对应，然后用夹板将两者装夹牢固；

步骤六：熔炼浇铸，在ZN-150型真空自耗凝壳炉中浇铸成型，熔炼浇铸工艺参数如下：真空度控制在0.9Pa，熔化电流为22kA，浇铸完成后，随炉冷却2小时，待铸件冷却至300℃以下出炉即可得到组成钛铸件的蒙皮筋板单元。

实施例2：一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，将所要铸造的完整的铸件分成多个蒙皮筋板单元，对各蒙皮筋板单元分别进行加工，然后再用铸造的方法将各部分黏接起来，进而得到最终的大型薄壁蒙皮筋板钛铸件。

其中，对于单个蒙皮筋板单元的钛铸件采用以下方法成型：

步骤一：钛合金原料的选择，以TC4钛合金为原料，并且采用ZH-150真空自耗电弧炉二次熔炼的铸锭，所获得的铸锭其化学成分为：Al6.5%、V 4.5%、Fe 0.3%、C 0.08%、N 0.05%、H 0.015%、O 0.2%、其它杂质0.4%，剩余为Ti。

步骤二：蒙皮成型，利用步骤一所述的钛合金原料，采用热轧的生产工艺方法制作尺寸为228*210*2mm的蒙皮，并在蒙皮的两端钻设5排尺寸分别为φ4、φ6、φ8、φ10、φ12的圆孔，其中每排设置10个圆孔。

步骤三：石墨模具的加工，根据步骤二所制作的蒙皮的尺寸设计制作石墨模具，并在石墨模具上与蒙皮上圆孔相对应的位置设置5条筋板槽，筋板槽深度为50mm，宽度与所对应的蒙皮上的圆孔直径相同，石墨模具的浇注系统包括浇口、一条直径为35mm的主浇道和一条直径为30mm的横浇道，横浇道的两端与所述的筋板槽连通，采用数控机床对所设计的石墨模具进行机械加工，石墨模具尺寸公差精度为±0.1mm。

步骤四：石墨模具真空除气，采用真空除气炉对所设计加工的石墨模型进行除气处理，将步骤三所制得的石墨模具放置于1000℃的真空除气炉中，在真空条件下，保温8小时，以去除石墨模具中的水分及挥发物，待石墨模具降至100℃以下时出炉。

步骤五：石墨模具与蒙皮组型固定，将步骤二制作的蒙皮放置于步骤四处理后的石墨模具中，使得蒙皮上的5排圆孔和石墨模具中的5条筋板槽相对应，然后用夹板将两者装夹牢固。

实施例3：一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，将所要铸造的完整的铸件分成多个蒙皮筋板单元，对各蒙皮筋板单元分别进行加工，然后再用铸造的方法将各部分黏接起来，进而得到最终的大型薄壁蒙皮筋板钛铸件。

其中，对于单个蒙皮筋板单元的钛铸件采用以下方法成型：

步骤一：钛合金原料的选择，以TC4钛合金为原料，并且采用ZH-150真空自耗电弧炉二次熔炼的铸锭，所获得的铸锭其化学成分为：Al 6%、V 4%、Fe 0.3%、C 0.08%、N 0.05%、H 0.015%、O 0.2%、其它杂质0.4%，剩余为Ti。

步骤二：蒙皮成型，利用步骤一所述的钛合金原料，采用热轧的生产工艺方法制作尺寸为228*210*2mm的蒙皮，并在蒙皮的两端钻设两排尺寸为φ4的圆孔，其中每排设置10个圆孔。

步骤三：石墨模具的加工，根据步骤二所制作的蒙皮的尺寸设计制作石墨模具，并在石墨模具上与蒙皮上圆孔相对应的位置设置筋板槽，筋板槽深度为20mm，宽度为4mm，石墨模具的浇注系统包括浇口、一条直径为35mm的主浇道和一条直径为30mm的横浇道，横浇道的两端与所述的筋板槽连通，采用数控机床对所设计的石墨模具进行机械加工，石墨模具尺寸公差精度为±0.1mm。

步骤五：石墨模具与蒙皮组型固定，将步骤二制作的蒙皮放置于步骤四处理后的石墨模具中，使得蒙皮上的两排圆孔和石墨模具中的两条筋板槽相对应，然后用夹板将两者装夹牢固。

在本发明中，蒙皮的制作工艺并不局限于热轧工艺，也可以根据其所在钛铸件的位置以及工艺要求选择适合的方法，例如锻造、挤压等方法。

Claims

1.一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，其特征在于：将钛合金原料加工成若干蒙皮筋板单元后，采用铸造的方法将各蒙皮筋板单元黏接起来得到钛铸件成品，所述蒙皮筋板单元的加工方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，其特征在于：所述钛合金原料为TC4钛合金，其化学成分为：Al 5.5~6.5%、V 3.5~4.5%、Fe 0.3%、C 0.08%、N 0.05%、H 0.015%、O 0.2%、其它杂质0.4%、剩余为Ti。

3.根据权利要求1所述的一种大型薄壁蒙皮筋板钛铸件的成型方法，其特征在于：所述步骤三中除气处理的方法是：将步骤二所制作的石墨模具放置于900℃~1000℃的真空除气炉中保温8小时，然后待石墨模具随炉冷却至100℃以下出炉。