CN106984795A - 一种Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法 - Google Patents

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Abstract

一种Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法，在真空中将模壳温度加热到600～950℃恒温1～2小时，再进行浇注，凝固过程中控制金属液体冷却速度，在500～900℃保温15～60min，再随炉冷却，从而达到消除铸造过程中裂纹的目的，并且获得的铸件表面光洁度更好，提高了钛合金铸件的充型性和组织致密性，有效消除铸造过程中的开裂变形的问题。

Description

一种Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法
技术领域
本发明属于钛合金铸造领域，涉及高温钛合金铸造熔融凝固的方法，具体为一种Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法。
背景技术
钛及钛合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀等优点，已经在航空、航天、海洋运输、化工冶金、医疗等领域得到广泛的应用。高温钛合金是为提高航空发动机推重比而开发的，包括以固溶强化为主要强化方式的传统高温钛合金和以有序强化为主的Ti-Al系金属间化合物，本文中提到的高温钛合金为近α钛合金，服役温度为560℃～650℃。钛合金成型方法除了切削加工外，还有铸造和锻造，钛合金锻件成本较高、且生产周期长，相比之下，钛合金精密铸造技术具有成本低、周期短、一次性近净成形等优点，但是钛及钛合金在铸造过程中极易形成缩松、缩孔、微裂纹等缺陷，由于残余应力大，有的铸件甚至会出现贯穿性裂纹。较小的缩松、缩孔可以通过热等静压消除，然而，一些较大的铸造缺陷，热等静压也无法解决，对于一些形状不规则的零件，极易出现铸造裂纹和变形等问题，从而导致铸件报废，成品率低，极大地增加了铸造成本。
张勇弢、张润华等人发明了一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法(专利号CN104209487)，解决了现有的钛及钛合金离心铸造过程中存在的由于组炉方式、整体浇注方法不合理使得钛合金零件缺陷多以及成品率低的问题，但对于铸造过程中裂纹等问题关注较少。
哈尔滨实钛新材料科技发展有限公司发明了一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法(专利号CN102294436)，解决了现有的采用电熔氧化铝、硅溶胶降低钛合金和钛铝合金熔模精密铸造成本的方法，并解决了铸件表面及内部质量差的技术问题。
姜敏、鲁雄刚等人发明了一种用于钛及钛合金精密铸造的型壳及其制备方法(CN102990006)，由于锆酸钡陶瓷型壳与钛及钛合金反应程度小，铸件表面形成的粘污层厚度小，铸件表面光洁度高，缺点是关于铸造应力方面略欠考虑。
综上可以看出，目前关于减少钛合金铸造成本和钛合金铸造后缩松、缩孔、表面质量等问题的研究较多，但是通过控制凝固路径消除残余应力、铸件裂纹的专利和报道较少。
发明内容
为克服现有技术中存在的钛合金铸造后缩松、缩孔和表观质量差的不足，本发明提出了一种Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法。
本发明的具体过程是：
步骤1，涂挂模具。
涂挂时在模具的面层、过渡层、背层、封严层分别涂挂2层、2层、3层、1层；面料涂挂材料为纯氧化钇。
步骤2，脱蜡、焙烧。
将涂挂后的模具置于电热鼓风干燥箱中进行脱蜡处理，得到模壳；通过高温箱式炉对得到的模壳进行焙烧，得到纯氧化钇模壳。
所述脱蜡处理时，将电热鼓风干燥箱升温至150℃；将涂挂模具放入该电热鼓风干燥箱内保温2h；保温结束后该电热鼓风干燥箱继续升温至170℃保温2h，完成模具的脱腊。
所述焙烧时，将所述高温箱式炉升温至350℃；将所述模壳放入该高温箱式炉内保温1h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至600℃并保温0.5h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至970℃并保温2h，完成对该模壳的焙烧，得到纯氧化钇模壳。
步骤3，熔炼；将小块的Ti55合金铸锭装入底部铺有海绵钛的坩埚内。在10－3Pa的真空环境下对所述小块铸锭进行熔炼，使小块铸锭熔化，得到Ti55合金铸锭的熔液。
步骤4，浇注。将得到的氧化钇模壳加热到600～950℃，恒温1～2h后，浇入Ti55合金铸锭的熔液。
步骤5，控温凝固：浇注完成后，合金熔液随炉冷却至500～850℃时保温15～60min进行控温凝固，保温结束后，合金熔液随炉冷却至室温后，脱壳、清理，得到开裂杯铸件。
本发明通过在真空中将模壳温度加热到600～950℃恒温1～2小时，再进行浇注，凝固过程中控制金属液体冷却速度，在500～900℃保温15～60min，再随炉冷却，从而达到消除铸造过程中裂纹的目的，并且，通过控温凝固获得的铸件表面光洁度更好，提高了钛合金铸件的充型性和组织致密性，有效消除铸造过程中的开裂变形等问题。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、操作工艺简单，并且对熔炼和浇注合金的设备没有特殊要求，对应用于工厂生产具有实际指导意义，实施例中给出了具体的浇注凝固步骤。
二、合金凝固过程中，通过在低温段控温凝固，能够有效避免合金在凝固过程裂纹的产生和扩展，本发明通过将模壳加热到600℃～950℃后在500℃～900℃低温段保温15～60min，对得到的铸件使用着色剂对铸件进行裂纹渗透检验分析，发现经过控温凝固后，裂纹数量为零，在铸件外壁和内壁均没有发现裂纹，提高了成品率，极大地节约了原料和成本，如图5、8、9所示。通过对比实验发现，将模壳加热至400℃恒温2h后进行浇注，凝固过程中不进行控温处理，在得到的开裂杯铸件内壁发现大量裂纹，图4给出了未控温凝固得到的开裂杯裂纹渗透试样。
三、采用上述工艺方法获得的铸件表面光洁度高，粗糙度小，得到的组织更为致密。图6给出了实施例1得到的开裂杯组织微观组织形貌图，从图中可以发现，组织均匀性较好，α片层细密，β晶粒尺寸约为250μm～300μm。
四、提高了充型能力，保证铸件充填完整性，消除铸造应力，有效防止变形和开裂，铸件不容易变形。从铸件图5、8、9中可以看出，铸件充型完整，无明显铸造缺陷。图10为实施例3中骨架前段零件铸件X射线探伤结果图，缩松缩孔主要集中在浇道和冒口处，铸件内部较少出现。
附图说明
图1为模壳加热温度-时间简要示意图；
图2为开裂杯试样尺寸图，其中2a为开裂杯正面剖视图，2b为俯视图；
图3为经过涂挂的开裂杯模具外观，其中3a为开裂杯模具的俯视图，3b是开裂杯模具的主视图；
图4为未控温凝固得到的开裂杯裂纹渗透分析着色图；
图5为实施例1中开裂杯裂纹渗透分析着色图；
图6为实施例2中开裂杯微观组织形貌图；
图7为实施例3、3中骨架前段零件模具涂挂外观图，其中a为模具俯视图，b是模具主视图；
图8为实施例2中骨架前段零件裂纹渗透分析着色图；
图9为实施例3中骨架前段零件裂纹渗透分析着色图，其中a为模具俯视图，b是模具主视图；
图10为实施例3中骨架前段零件X射线探伤结果图,其中a为铸件正面图，b为铸件背面图，c、d、e为铸件局部区域缩松缩孔图，f为铸件侧壁内浇道，g、h排气孔。
图11为本发明的流程图。
具体实施方式
本发明以Ti55铸造高温钛合金为例，通过三个实施例具体说明本发明的技术方案。本发明所述浇注开裂杯试样的最大直径为120mm，最小直径为70mm，最小壁厚为10mm，最大壁厚为15mm。由于铸造过程中容易在底部厚壁处产生热节，导致铸件开裂，开裂形成的裂纹是作为浇注材料抗裂性的一种表征。
实施例1
本实施例的具体过程是：
步骤1，涂挂模具。将设计好的开裂杯模具用3D打印出来，对模具进行涂挂后晾干。涂挂时在模具的面层、过渡层、背层、封严层分别涂挂2层、2层、3层、1层；面料涂挂材料为纯氧化钇，得到涂挂后的模具。
步骤2，脱蜡、焙烧。将晾干模具置于电热鼓风干燥箱中进行脱蜡处理：将所述电热鼓风干燥箱升温至150℃；将晾干模具放入该电热鼓风干燥箱内保温2h；保温结束后该电热鼓风干燥箱继续升温至170℃保温2h，完成模具的脱腊，得到模壳。通过高温箱式炉对脱腊后的模壳进行焙烧，具体是：将所述高温箱式炉升温至350℃；将所述模壳放入该高温箱式炉内保温1h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至600℃并保温0.5h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至970℃并保温2h，完成对该模壳的焙烧，得到纯氧化钇模壳。
步骤3，熔炼。将直径为150mm、高度为550mm的Ti55合金铸锭切割成小块铸锭。将得到小块铸锭装入底部铺有海绵钛的坩埚内。在0.1MPa的氩气保护环境下对所述小块铸锭进行熔炼，使小块铸锭熔化，得到Ti55合金铸锭的熔液。所述Ti55合金铸锭的名义成分为Ti-5.5Al-3.5Sn-3.0Zr-0.7Mo-0.4Nb-0.3Si-0.4Ta。
步骤4，浇注。将得到的氧化钇模壳加热到950℃，恒温2h后，浇入熔融后的Ti55 合金铸锭的熔液。
步骤5，控温凝固。合金熔液随炉冷却至900℃时进行控温凝固，即在900℃保温15min，保温结束后，合金熔液随炉冷却至室温后，脱壳、清理，得到开裂杯铸件，所获铸件表面光洁度高，表面粗糙度小。
对本实施例得到的成品铸件进行着色处理，观察裂纹数量及分布情况，结果如图5，可以发现，在试样内壁和外壁都没有观察到任何裂纹，其微观组织形貌图如图6所示。
实施例2
本实施方式的一种铸造高温钛合金的控温凝固方法按如下步骤进行：
步骤1，涂挂模具。将设计好的开裂杯模具用3D打印出来，对模具进行涂挂后晾干。涂挂时在模具的面层、过渡层、背层、封严层分别涂挂2层、2层、3层、1层；面料涂挂材料为纯氧化钇，得到涂挂后的模具。
步骤2，脱蜡、焙烧。将晾干模具置于电热鼓风干燥箱中进行脱蜡处理：将所述电热鼓风干燥箱升温至150℃；将晾干模具放入该电热鼓风干燥箱内保温2h；保温结束后该电热鼓风干燥箱继续升温至170℃保温2h，完成模具的脱腊，得到模壳。通过高温箱式炉对脱腊后的模壳进行焙烧，具体是：将所述高温箱式炉升温至350℃；将所述模壳放入该高温箱式炉内保温1h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至600℃并保温0.5h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至970℃并保温2h，完成对该模壳的焙烧，得到纯氧化钇模壳。
步骤3，熔炼。将直径为150mm、高度为550mm的Ti55合金铸锭切割成小块铸锭。将得到小块铸锭装入底部铺有海绵钛的坩埚内。在0.1MPa的氩气保护环境下对所述小块铸锭进行熔炼，使小块铸锭熔化，得到Ti55合金铸锭的熔液。所述Ti55合金铸锭的名义成分为Ti-5.5Al-3.5Sn-3.0Zr-0.7Mo-0.4Nb-0.3Si-0.4Ta。
步骤4，浇注。将得到的氧化钇模壳加热到900℃，恒温1h后，浇入熔融后的Ti55合金铸锭的熔液。
步骤5，控温凝固。合金熔液随炉冷却至800℃时进行控温凝固，即在800℃保温60min，保温结束后，合金熔液随炉冷却至室温后，脱壳、清理，得到开裂杯铸件，所获铸件表面光洁度高，表面粗糙度小。
对本实施例得到的成品铸件进行着色处理，观察铸件表面裂纹数量及分布情况，结果如图8，可以发现，在铸件内壁和外壁均没有观察到任何裂纹。
实施例3
本实施方式的一种铸造高温钛合金的控温凝固方法按如下步骤进行：
步骤1，涂挂模具。将设计好的开裂杯模具用3D打印出来，对模具进行涂挂后晾干。涂挂时在模具的面层、过渡层、背层、封严层分别涂挂2层、2层、3层、1层；面料涂挂材料为纯氧化钇，得到涂挂后的模具。
步骤2，脱蜡、焙烧。将晾干模具置于电热鼓风干燥箱中进行脱蜡处理：将所述电热鼓风干燥箱升温至150℃；将晾干模具放入该电热鼓风干燥箱内保温2h；保温结束后该电热鼓风干燥箱继续升温至170℃保温2h，完成模具的脱腊，得到模壳。通过高温箱式炉对脱腊后的模壳进行焙烧，具体是：将所述高温箱式炉升温至350℃；将所述模壳放入该高温箱式炉内保温1h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至600℃并保温0.5h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至970℃并保温2h，完成对该模壳的焙烧，得到纯氧化钇模壳。
步骤3，熔炼。将直径为150mm、高度为550mm的Ti55合金铸锭切割成小块铸锭。将得到小块铸锭装入底部铺有海绵钛的坩埚内。在0.1MPa的氩气保护环境下对所述小块铸锭进行熔炼，使小块铸锭熔化，得到Ti55合金铸锭的熔液。所述Ti55合金铸锭的名义成分为Ti-5.5Al-3.5Sn-3.0Zr-0.7Mo-0.4Nb-0.3Si-0.4Ta。
步骤4，浇注。将得到的氧化钇模壳加热到600℃，恒温1.5h后，浇入熔融后的Ti55合金铸锭的熔液。
步骤5，控温凝固。合金熔液随炉冷却至500℃时进行控温凝固，即在500℃保温30min，保温结束后，合金熔液随炉冷却至室温后，脱壳、清理，得到开裂杯铸件，所获铸件表面光洁度高，表面粗糙度小。
对本实施例得到的成品铸件进行着色处理，观察铸件表面裂纹数量及分布情况，结果如图9，可以发现，在铸件内壁和外壁均没有观察到任何裂纹，X射线探伤结果如图10。其中A、B分别对应的是铸件的正反两面，未发现裂纹，但C、D、E出现不同程度密集小缩孔，主要是由于Ti55合金本身较难补缩产生的。
从F可以看出在铸件侧壁内浇道部位出现了一个φ13mm的气孔，可能为金属液紊流卷气而产生的，图G、H可以看出在排气孔附近产生了出现了一个φ15mm的气孔，属于正常现象，铸造缩孔缩松及其他铸造缺陷主要集中在设计冒口中，铸件缩孔缩松可在后期热等静压后消除。
表1给出了各实施例中铸件裂纹情况。
表1
模壳预热温度/℃ 低温保温段 合金牌号 铸造裂纹
实施例1 950 有(900℃) Ti55 无
实施例2 900 有(800℃) Ti55 无
实施例3 600 有(500℃) Ti55 无

Claims (5)

1.一种Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，涂挂模具；
步骤2，脱蜡、焙烧；
步骤3，熔炼；将小块的Ti55合金铸锭装入底部铺有海绵钛的坩埚内；在10－3Pa的真空环境下对所述小块铸锭进行熔炼，使小块铸锭熔化，得到Ti55合金铸锭的熔液；
步骤4，浇注；将得到的氧化钇模壳加热到600～950℃，恒温1～2h后，浇入Ti55合金铸锭的熔液；
步骤5，控温凝固：浇注完成后，合金熔液随炉冷却至500～850℃时保温15～60min进行控温凝固，保温结束后，合金熔液随炉冷却至室温后，脱壳、清理，得到开裂杯铸件。
2.如权利要求1所述Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法，其特征在于，涂挂时在模具的面层、过渡层、背层、封严层分别涂挂2层、2层、3层、1层；面料涂挂材料为纯氧化钇。
3.如权利要求1所述Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法，其特征在于，将涂挂后的模具置于电热鼓风干燥箱中进行脱蜡处理，得到模壳；通过高温箱式炉对得到的模壳进行焙烧，得到纯氧化钇模壳。
4.如权利要求3所述Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法，其特征在于，所述脱蜡处理时，将电热鼓风干燥箱升温至150℃；将涂挂模具放入该电热鼓风干燥箱内保温2h；保温结束后该电热鼓风干燥箱继续升温至170℃保温2h，完成模具的脱腊。
5.如权利要求3所述Ti55铸造高温钛合金的控温凝固方法，其特征在于，所述焙烧时，将所述高温箱式炉升温至350℃；将所述模壳放入该高温箱式炉内保温1h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至600℃并保温0.5h；保温结束后，该高温箱式炉继续升温至970℃并保温2h，完成对该模壳的焙烧，得到纯氧化钇模壳。
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