CN108372280B - 一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法 - Google Patents
一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及钛合金铸造领域，具体涉及一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法。本发明根据石墨型钛合金铸件的三维数模，借助华铸CAE模拟软件，得到最佳浇铸角度；然后对在最佳浇铸角度的基础上搭设好浇道的数模进行分型；并将石墨加工成石墨理论铸型，除气处理后，将石墨理论铸型进行拼接组型，进行真空倾斜式离心浇铸，得到石墨型钛合金铸件。本发明可有效减缓钛液的落差流动，从而使钛液达到顺序凝固的目的，而且通过离心力的补缩使铸件消除其内部缩孔缺陷，同时还能减少铸件表面的流痕缺陷，整体提高钛合金铸件的产品质量，减少后续补焊修整，缩短产品生产周期降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金铸造领域，具体涉及一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法。
背景技术
机加工石墨型钛合金铸件目前比较成熟的生产方式有两种，一种是重力铸造(静浇铸造)，另一种是离心铸造。
常规重力铸造是通过金属液自身的重力在静止状态流入机加工石墨铸型的铸造工艺，因铸件结构原因浇道设计难免会出现金属液在型腔内部因高度落差大而产生紊流导致铸件表面形成流痕，下落落差大还会使金属液凝固过快导致凝固不均，无法实现顺序凝固而形成缩孔缺陷；离心铸造是通过机械手段使石墨铸型旋转，金属液直接倒入旋转的石墨铸型使其快速充型，减少浇铸过程中的热能损失，减小过热度的差异，从而达到减少缩孔的形成，同时离心浇铸还会细化晶粒提高铸件质量，但石墨型离心浇铸因其离心力的增加，金属液在铸型内的线速度比之重力浇铸线速度增加，金属液撞击石墨型腔内壁有可能导致铸件内部石墨夹渣的缺陷产生，流动速度的加快还有可能造成石墨型腔内金属液更严重的紊流，使其铸件表面产生流痕，降低铸件产品质量。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的目的在于提供一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，该方法借助华铸CAE模拟软件，选择合适倾斜角度，通过倾斜式离心浇铸，可有效够减缓钛液的落差流动，从而使钛液达到顺序凝固的目的，且通过合适离心力的补缩使铸件消除其内部缩孔缺陷，同时还能减少铸件表面的流痕缺陷，整体提高钛合金铸件的产品质量，减少后续补焊修整，缩短产品生产周期降低生产成本。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，包含如下步骤：
(1)根据石墨型钛合金铸件的三维数模，选择不同浇铸倾斜角度，在选定浇铸倾斜角度的基础上进行浇道搭设，得到相应浇铸倾斜角度的铸造方案；利用华铸CAE模拟软件对铸造方案进行数值模拟，当模拟结果为铸件内部缩孔缺陷单个大小小于1.5mm，每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量小于5处时确定为最佳铸造方案，进而得到最佳浇铸角度；然后对在最佳浇铸角度的基础上搭设好浇道的数模进行分型；
(2)将石墨加工成石墨理论铸型，并进行除气处理消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型进行拼接组型，然后将拼接组型后的石墨理论铸型整体倾斜至最佳浇铸角度，固定，进行真空倾斜式离心浇铸，得到石墨型钛合金铸件；
步骤(1)中所述的最佳铸造方案中铸件主浇道位于顶面水平，便于浇口杯的搭接；
步骤(1)中所述的分型是石墨理论铸型的拆分，使其铸型型腔结构能够便于加工，加工后组装形成可浇铸的型腔；
步骤(2)中所述的石墨加工成石墨理论铸型优选为：依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型；
步骤(2)中所述的除气处理的条件优选为真空高温焙烧，其中，焙烧的温度优选为900～1100℃，保温时间优选为1.5～4h，真空度优选为不大于6Pa；
步骤(3)中所述的真空倾斜式离心浇铸的条件优选为：真空度≤0.9Pa时开始浇铸，浇铸过程中，真空度≤15Pa；如真空度高于15Pa时，应立即切断高压，停止熔炼；
步骤(3)中所述的真空倾斜式离心浇铸的离心转速优选为：
当铸件壁厚3～6mm，350mm≤R＜500mm时，离心转速为180～200r/min；
当铸件壁厚3～6mm，200mm≤R＜350mm时，离心转速为200～220r/min；
当铸件壁厚3～6mm，R＜200mm时，离心转速为220～240r/min；
当铸件壁厚7～10mm，350mm≤R＜500mm时，离心转速为140～160r/min
当铸件壁厚7～10mm，200mm≤R＜350mm时，离心转速为160～180r/min；
当铸件壁厚7～10mm，R＜200mm时，离心转速为180～200r/min；
当铸件壁厚>10mm，350mm≤R＜500mm时，离心转速为120～140r/min；
当铸件壁厚>10mm，200mm≤R＜350mm，离心转速为120～140r/min；
当铸件壁厚>10mm，R＜200mm时，离心转速为120～140r/min；
其中，R为离心盘旋转中心到铸件的最小距离；
步骤(3)中所述的倾斜至最佳浇铸角度优选为：利用辅助工装或垫块将拼接组型后的石墨理论铸型整体倾斜至最佳浇铸角度；
步骤(3)中所述的固定优选通过装夹工装进行装夹固定；
所述的真空倾斜式离心浇铸优选在浇铸炉中进行真空倾斜式离心浇铸；
所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法适用于板状类铸件；
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明在钛合金离心铸造工艺的基础上，借助华铸CAE模拟软件，设计倾斜浇铸石墨铸型，通过真空倾斜式离心浇铸，可有效减缓钛液的落差流动，从而使钛液达到顺序凝固的目的。
(2)通过离心力的补缩消除了铸件内部缩孔缺陷，减少了铸件表面的流痕缺陷，从整体上提高了钛合金铸件的产品质量，达到了缩短生产周期，降低生产成本的目的。
(3)真空倾斜式离心浇铸比之重力浇铸增加了倾斜角度和离心力，加快了金属液在石墨铸型内的平稳流动，能够提高铸件的壁厚充型极限，减少铸件局部壁厚浇不满现象。
(4)本发明采用的设备均为机加工石墨型钛合金铸件生产的常规设备，具有较好的设备适应性，实际生产操作方便，可以实现工程化应用。
附图说明
图1是实施例1中光学底板铸件的结构示意图。
图2是对比实施例1中光学底板铸件常规重力浇铸设计方案模拟后缩孔分布结果图。
图3是实施例1中光学底板铸件真空倾斜式离心浇铸设计方案模拟后缩孔分布结果图。
图4是光学底板铸件常规重力浇铸和真空倾斜式离心浇铸过程实施展示图；A：常规重力浇铸，B：真空倾斜式离心浇铸。
图5是对比实施例1中常规重力浇铸设计方案实际结果图。
图6是实施例1中真空倾斜式离心浇铸设计方案实际结果图。
图7是对比实施例2中倾斜式重力浇铸设计方案模拟后缩孔分布结果以及浇铸过程实施展示图；A：模拟结果，B：浇铸过程。
图8是对比实施例3中立式离心浇铸设计方案模拟后缩孔分布结果以及浇铸过程实施展示图；A：模拟结果，B：浇铸过程。
图9是X射线探伤法检测石墨型钛合金铸件内部缩孔缺陷结果分析图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，包含如下步骤：
(1)根据石墨型钛合金铸件(以某客户订制生产的光学底板铸件为例，铸件为均匀壁厚的板状类铸件，轮廓尺寸为：1030×341×60，壁厚22mm，图1)的三维数模，选择不同浇铸倾斜角度，在选定浇铸倾斜角度的基础上进行浇道搭设，其中，铸件主浇道位于顶面水平，便于浇口杯的搭接，浇铸系统截面积比例为主浇道：横浇道：内浇道＝1:2:3，主浇道为￠80，内浇道开设在铸件厚大部位处，得到相应浇铸倾斜角度的铸造方案；利用华铸CAE模拟软件对铸造方案进行数值模拟，当模拟结果为铸件内部缩孔缺陷单个大小小于1.5mm，每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量小于5处时确定为最佳铸造方案，进而得到最佳浇铸角度；其中，最佳浇铸角度为40°(模拟结果见图3，铸件内部无大于1.5mm以上缺陷，小于1.5mm以下缺陷也未出现聚集情况，每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量小于5处)；然后对在最佳浇铸角度的基础上搭设好浇道的数模进行分型；
(2)依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型，然后在真空度≤6Pa的条件下930℃±30℃真空高温焙烧3.9±0.1h进行除气处理，消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型按理论设计进行拼接组型，再利用辅助工装将石墨铸型整体倾斜至40°，通过装夹工装进行装夹固定；移至浇铸炉，在真空度≤0.9Pa的条件下进行真空倾斜式离心浇铸，离心转速为140r/min(离心盘旋转中心到铸件的最小距离R＝290mm)，浇铸过程中，真空度≤15Pa；得到石墨型钛合金铸件(图6)。
实施例2
一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，包含如下步骤：
(1)根据某石墨型钛合金铸件的三维数模，选择不同浇铸倾斜角度，在选定浇铸倾斜角度的基础上进行浇道搭设，得到相应浇铸倾斜角度的铸造方案；利用华铸CAE模拟软件对铸造方案进行数值模拟，当模拟结果为铸件内部缩孔缺陷单个大小小于1.5mm，每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量小于5处时确定为最佳铸造方案，进而得到最佳浇铸角度(45°)；然后对在最佳浇铸角度的基础上搭设好浇道的数模进行分型；
(2)依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型，然后在真空度≤6Pa的条件下1000℃±30℃真空高温焙烧1.5±0.1h进行除气处理，消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型按理论设计进行拼接组型，再利用辅助工装将石墨铸型整体倾斜至最佳浇铸角度(45°)，通过装夹工装进行装夹固定；移至浇铸炉，在真空度≤0.9Pa的条件下进行真空倾斜式离心浇铸，离心转速为180r/min(铸件壁厚8.5mm，离心盘旋转中心到铸件的最小距离R＝225mm)，浇铸过程中，真空度≤15Pa；得到石墨型钛合金铸件。
实施例3
一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，包含如下步骤：
(1)根据某石墨型钛合金铸件的三维数模，选择不同浇铸倾斜角度，在选定浇铸倾斜角度的基础上进行浇道搭设，得到相应浇铸倾斜角度的铸造方案；利用华铸CAE模拟软件对铸造方案进行数值模拟，当模拟结果为铸件内部缩孔缺陷单个大小小于1.5mm，每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量小于5处时确定为最佳铸造方案，进而得到最佳浇铸角度(35°)；然后对在最佳浇铸角度的基础上搭设好浇道的数模进行分型；
(2)依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型，然后在真空度≤6Pa的条件下1100℃±30℃真空高温焙烧2.5±0.1h进行除气处理，消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型按理论设计进行拼接组型，再利用辅助工装将石墨铸型整体倾斜至最佳浇铸角度(35°)，通过装夹工装进行装夹固定；移至浇铸炉，在真空度≤0.9Pa的条件下进行真空倾斜式离心浇铸，离心转速为220r/min(铸件壁厚3.5mm，离心盘旋转中心到铸件的最小距离R＝150mm)，浇铸过程中，真空度≤15Pa；得到石墨型钛合金铸件。
对比实施例1立式重力浇铸
一般重力浇铸首先考虑其铸件防变形情况，根据试验数据需求及生产设备能力选取立式重力浇铸方案来生产光学底板铸件，具体方法如下：
(1)根据石墨型钛合金铸件(同实施例1，图1)的三维数模，进行浇道搭设，其中，铸件主浇道位于顶面水平，便于浇口杯的搭接，浇铸系统截面积比例为主浇道：横浇道：内浇道＝1:2:3，主浇道为￠80，内浇道开设在铸件厚大部位处，旨在引出铸件内部缩孔缺陷；搭设浇道后利用华铸CAE模拟软件对其模拟，此浇铸方式无法全部引出铸件内部缩孔缺陷(图2)；然后对搭设好浇道的数模进行分型；
(2)依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型，然后在真空度≤6Pa的条件下930℃±30℃真空高温焙烧3.9±0.1h进行除气处理，消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型按理论设计进行拼接组型，移至浇铸炉，在真空度≤0.9Pa的条件下采用常规立式重力浇铸进行浇铸，浇铸过程中，真空度≤15Pa；得到石墨型钛合金铸件(图5)。
对比实施例2倾斜式重力浇铸
根据试验数据需求及生产设备能力选取倾斜式重力浇铸方案来生产光学底板铸件，具体方法如下：
(1)根据石墨型钛合金铸件(同实施例1，图1)的三维数模，按照常规经验值选择浇铸倾斜角度为35°，在选定浇铸倾斜角度的基础上进行浇道搭设，其中，铸件主浇道顶面水平，便于浇口杯的搭接，浇铸系统截面积比例为主浇道：横浇道：内浇道＝1:2:3，主浇道为￠80，内浇道开设在铸件厚大部位处，旨在引出铸件内部缩孔缺陷，得到该浇铸倾斜角度的铸造方案；利用华铸CAE模拟软件对其数值模拟，此浇铸方式无法全部引出铸件内部缩孔缺陷(图7A)；然后对搭设好浇道的数模进行分型；
(3)依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型，然后在真空度≤6Pa的条件下930℃±30℃真空高温焙烧3.9±0.1h进行除气处理，消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(4)将步骤(3)中除气处理后的石墨理论铸型按理论设计进行拼接组型，再利用辅助工装将石墨铸型整体倾斜至35°，通过装夹工装进行装夹固定；移至浇铸炉，在真空度≤0.9Pa的条件下进行真空倾斜式重力浇铸，浇铸过程中，真空度≤15Pa；得到石墨型钛合金铸件。
对比实施例3立式离心浇铸
根据试验数据需求及生产设备能力选取立式离心浇铸方案来生产光学底板铸件，具体方法如下：
(1)根据石墨型钛合金铸件(同实施例1，图1)的三维数模，进行浇道搭设，其中，铸件主浇道位于顶面水平，便于浇口杯的搭接，浇铸系统截面积比例为主浇道：横浇道：内浇道＝1:2:3，主浇道为￠80，内浇道开设在铸件厚大部位处，旨在引出铸件内部缩孔缺陷；搭设浇道后利用华铸CAE模拟软件对其数值模拟，此浇铸方式无法全部引出铸件内部缩孔缺陷(图8A)；然后对搭设好浇道的数模进行分型；
(2)依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型，然后在真空度≤6Pa的条件下930℃±30℃真空高温焙烧3.9±0.1h进行除气处理，消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型按理论设计进行拼接组型，移至浇铸炉，在真空度≤0.9Pa的条件下采用立式离心浇铸进行浇铸，离心转速为170r/min(根据相关文献《钛及钛合金铸造》查阅及数值模拟结果，转速选取170r/min)，浇铸过程中，真空度≤15Pa；得到石墨型钛合金铸件。
效果实施例
图1是实施例1中光学底板铸件的结构示意图。
(1)倾斜式离心浇铸软件模拟结果和实际浇铸结果
实施例1中最佳倾斜角度下进行浇道搭设，利用华铸CAE模拟软件对行数值模拟，铸件内部缩孔缺陷单个大小以及每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量如图3所示，其中，黑色为模拟浇铸产生的缩孔缩松缺陷，缺陷全部从铸件本体中引入浇道系统内。
采用最佳倾斜角度进行真空倾斜式离心浇铸(具体实施过程见图4B)，得到的石墨型钛合金铸件铸件无较大缩孔缺陷(图6)。
(2)立式重力浇铸软件模拟结果和实际浇铸结果
对比实施例1采用立式重力浇注，浇道通于铸件上端面的厚壁处，搭设浇道后利用华铸CAE模拟软件对其数值模拟，具体模拟结果如图2所示，黑色为模拟浇铸产生的缩孔缩松缺陷，缺陷在铸件本体内，严重影响产品质量。
采用立式重力浇注(具体实施过程见图4A)后，铸件厚大部位会产生较大的缩孔缺陷，无法通过冒口将其引出，因高度落差大铸件表面还会产生较多流痕，如图5所示，铸件存在4处较大缩孔缺陷，实际结果与数值模拟结果基本一致。
(3)倾斜式重力浇铸软件模拟结果和实际浇铸结果
对比实施例2采用倾斜式重力浇铸，浇道通于铸件上端面的厚壁处，搭设浇道后利用华铸CAE模拟软件对其数值模拟，具体模拟结果如图7A所示，此浇铸方式无法全部引出铸件内部缩孔缺陷，存在较多缩孔缩松缺陷；具体实施过程见图7B，实际结果与数值模拟结果基本一致。
(4)立式离心浇铸软件模拟结果和实际浇铸结果
对比实施例3采用立式离心浇铸，浇道通于铸件上端面的厚壁处，搭设浇道后利用华铸CAE模拟软件对其数值模拟，具体模拟结果如图8A所示，此浇铸方式无法全部引出铸件内部缩孔缺陷，存在较多缩孔缩松缺陷；具体实施过程见图8B，实际结果与数值模拟结果基本一致。
进一步采用X射线探伤法检测实施例1、对比实施例1～3制得的石墨型钛合金铸件内部缩孔缺陷，结果如图9所示，与立式重力浇铸、倾斜式重力浇铸和立式离心浇铸相比，本发明提供的真空倾斜式离心浇铸能够有效的减少铸件内部的缩孔缺陷，提高铸件的产品质量。
综上所述，采用本发明提供的铸造工艺方法可降低铸件浇铸时的钛液落差，减少铸型内部紊流的出现，再通过离心力的补缩，有利于实现钛液的顺序凝固，提升钛铸件质量，铸件无较大缩孔缺陷。
经实际结果对比得出，本发明提供的倾斜式离心浇铸有效的改善了钛铸件的产品质量，同时也减少了后续补焊修整的工作量，降低了生产周期和生产成本，为钛铸件的质量改善提供了新的技术方向。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)根据石墨型钛合金铸件的三维数模，选择不同浇铸倾斜角度，在选定浇铸倾斜角度的基础上进行浇道搭设，得到相应浇铸倾斜角度的铸造方案；利用华铸CAE模拟软件对铸造方案进行数值模拟，当模拟结果为铸件内部缩孔缺陷单个大小小于1.5mm，每100mm×100mm×100mm空间体积内缺陷数量小于5处时确定为最佳铸造方案，进而得到最佳浇铸角度；然后对在最佳浇铸角度的基础上搭设好浇道的数模进行分型；
(2)将石墨加工成石墨理论铸型，并进行除气处理消除石墨理论铸型表面及内部杂质；
(3)将步骤(2)中除气处理后的石墨理论铸型进行拼接组型，然后将拼接组型后的石墨理论铸型整体倾斜至最佳浇铸角度，固定，进行真空倾斜式离心浇铸，得到石墨型钛合金铸件，浇铸过程中，离心驱动装置保持水平；
步骤(3)中所述的真空倾斜式离心浇铸的离心转速为：
当铸件壁厚3～6mm，350mm≤R＜500mm时，离心转速为180～200r/min；
当铸件壁厚3～6mm，200mm≤R＜350mm时，离心转速为200～220r/min；
当铸件壁厚3～6mm，R＜200mm时，离心转速为220～240r/min；
当铸件壁厚7～10mm，350mm≤R＜500mm时，离心转速为140～160r/min；
当铸件壁厚7～10mm，200mm≤R＜350mm时，离心转速为160～180r/min；
当铸件壁厚7～10mm，R＜200mm时，离心转速为180～200r/min；
当铸件壁厚>10mm，350mm≤R＜500mm时，离心转速为120～140r/min；
当铸件壁厚>10mm，200mm≤R＜350mm，离心转速为120～140r/min；
当铸件壁厚>10mm，R＜200mm时，离心转速为120～140r/min；
其中，R为离心盘旋转中心到铸件的最小距离。
2.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的最佳铸造方案中铸件主浇道位于顶面水平，便于浇口杯的搭接。
3.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的石墨加工成石墨理论铸型为：依据数控编程对分型完成后的数模进行编程，将石墨加工成石墨理论铸型。
4.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
步骤(2)中所述的除气处理的条件为真空高温焙烧，其中，焙烧的温度为900～1100℃，保温时间为1.5～4h，真空度为不大于6Pa。
5.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的真空倾斜式离心浇铸的条件为：真空度≤0.9Pa时开始浇铸，浇铸过程中，真空度≤15Pa。
6.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的倾斜至最佳浇铸角度为：利用辅助工装或垫块将拼接组型后的石墨理论铸型整体倾斜至最佳浇铸角度。
7.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的固定通过装夹工装进行装夹固定。
8.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
所述的真空倾斜式离心浇铸在浇铸炉中进行真空倾斜式离心浇铸。
9.根据权利要求1所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法，其特征在于：
所述的石墨型钛合金铸件的铸造工艺方法适用于板状类铸件。
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