CN109332592A - 一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法 - Google Patents

一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，包括浇注系统设计、石墨模具设计与制作、石墨模具除气、石墨模具装配、铸件浇注成形等工艺。本发明设计的浇注系统显著提高了大型复杂圆台型钛合金铸件的内部质量，适用于航空航天等Ⅰ类要求的铸件。本发明设计与制作的石墨模具可显著降低模具的生产成本，提高产品的尺寸精度，具有显著的经济效益。

Description

一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法
技术领域
本发明涉及一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，具体涉及一种钛合金铸件石墨型铸造方法，属于钛合金石墨型制备技术领域。
背景技术
钛合金具有高的比强度、高的耐热性、优良的耐蚀性等优异性能，是优质轻型金属结构材料，被广泛应用于航空航天等领域。
导弹具有速度快、射程远等特点，某型号导弹技术指标要求高精确、高马赫、超视距、突防等，其弹体结构件采用了钛合金材料。其中某舱体铸件高度为756mm，最大直径440mm，最小直径296mm，内部为1.5～2mm变壁厚结构。舱体内壁分布加强筋和多处凸台，顶部有凸台4处，底部有凸台8处。总体来说，该圆台型钛合金舱体内部结构较复杂，壁厚相差较大且壁厚很薄，铸造过程中极易产生铸造缺陷。铸件要求为I类铸件，需要进行100％X光检测，内部质量要求很高。
通过对该舱体结构和技术要求的综合分析，采用钛合金石墨型及底注式浇注系统的铸造工艺方案。但由于铸件高度很高，且内部结构复杂，对铸造工艺方案的设计提出了新的要求，因此进行了相关研究。
发明内容
本发明的目的：提供一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，改进大型钛合金铸件浇注系统，降低石墨模具成本和制造难度，提高大型钛合金铸件内部质量和合格率。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，包括以下步骤：
浇注系统设计：浇注系统采用底注式浇注，圆台型铸件直径大的部分在底部，直径小的部分在顶部；
石墨模具设计与制作：根据浇注系统，设计石墨模具图，所述石墨模具采用分体制造；
石墨模具除气：所述石墨模具在常温下进入除气炉除气，所述除气炉真空度小于3Pa；
石墨模具装配：将除气后的分体的所述石墨模具进行装配组合；
铸件浇注成形：将装配完成后的所述石墨模具放入钛合金凝壳炉内，抽真空，熔炼时保持真空度小于2Pa，熔化钛合金锭并浇注成形。
优选的，所述石墨模具包括型芯、外模、底板和直浇口；所述型芯分为上、中、下三部分，所述三部分的分割面采用凹凸结构进行定位装配，所述型芯通过凹凸结构装配固定在底板上；所述外模分为上下两部分，从上到下依次开设三个孔，所属孔径在10-15mm，所述外模通过凹凸结构装配固定在底板上；所述底板的内径为所述型芯下部分直径相等，所述底板的外径为所述外模下部分直径；所述直浇口顶部与浇口杯尺寸相等，与所述型芯的上部分相配合。
优选的，所述底板装配固定在所述钛合金凝壳炉底板上，使所述直浇口与所述浇口杯嵌套。
优选的，所述浇注系统包括直浇道、横浇道、内浇道、拔模和冒口；所述直浇道从铸件顶部贯穿到铸件底部，所述直浇道顶部尺寸大于底部尺寸，且所述直浇道顶部高于铸件顶部高度，形成浇注压头；所述直浇道中心线与铸件中心线重合；所述横浇道在铸件下方，截面为圆柱形，所述直浇道底部与横浇道齐平；所述内浇道连接横浇道和铸件，结构呈圆弧状；所述冒口设置在铸件顶部，结构呈圆弧状，所述冒口底部尺寸等于铸件顶部尺寸；所述拔模斜度在-5°～-10°。
优选的，所述横浇道数量在6-12个。
优选的，所述分体的石墨模具内部非承力部分通过机加工去除。
优选的，所述石墨模具在所述除气炉中经过2～3小时升温至650～750℃，保温1～2小时，再经过1～2小时升温到850～950℃，保温4～6小时后，随炉冷却至400℃以下出炉。
本发明的有益效果是：
1、针对大型复杂圆台型铸件，采用底注开放式浇注工艺，钛合金液从顶部先冲击到底部横浇道，再通过内浇道平稳流入铸型中，充型过程平稳，对铸型表面冲刷小，且横浇道底端设计有储气浇道，有利于减少铸件中的气体，提高了铸件的内部质量。
2、针对大型铸件，直浇道顶部设计了浇注压头，有利于充型过程中铸型完全充满，提高了铸件的内部质量。
3、在铸件顶部设计有浇冒口，有利于实现铸件的顺序凝固，提高了铸件的内部质量，铸件内部X射线一次拍片合格率高达100％。
4、对铸件型芯采用分体机加工后组装的方式，由于型芯尺寸大，整体机加成形难度大、成本高，且在搬运装配过程中存在众多难题；而分体机加工难度小，机加工尺寸精度易于掌控，有效降低了原材料和机加工成本。
5、型芯分为上、中、下三块，每块之间通过凹凸结构进行定位，确保了型芯的尺寸精度。其中型芯上部均为凸结构，下部均为凹结构，减少了运输过程损坏的可能性。
6、型芯上、中、下三块内部非承力部分均通过机加工去除，使型芯内部为空心结构，有效减少了铸件清壳的难度和工作量。
7、铸型外模为一分为二结构，中间压紧固定，外模分体成形后可以多次回收利用，降低了石墨模具的使用成本。
附图说明
图1是本发明实施例的大型复杂圆台型钛合金铸件石墨模具图。
图2是本发明实施例的大型复杂圆台型钛合金铸件下型芯内部结构图。
图3是本发明制备的大型复杂圆台型钛合金铸件实物图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。本发明包含以下内容，但并不仅限于以下内容。
根据图1和图2所示，一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，按以下步骤生产：
(1)浇注系统设计。根据钛合金铸件的结构特点，设计底注式浇注系统，铸件竖直放置，底部直径大于顶部直径。直浇道从铸件顶部贯穿到铸件底部，直浇道中心线与铸件中心线重合。直浇道顶部直径为65mm，底部直径为55mm，中间为渐变结构，直浇道顶部高出铸件90mm，形成浇注压头，直浇道底部与横浇道齐平。横浇道在铸件下方，截面为圆形，直径为25mm，数量为12个。内浇道连接横浇道与铸件，为圆弧状结构，其厚度比铸件底部厚度大15mm，为20mm，其宽度比横浇道大5mm，为30mm。铸件顶部设计冒口，冒口为圆弧状结构，高度为60mm，宽度为56mm，拔模斜度为-8°，冒口底部尺寸等于铸件顶部尺寸，厚度为48mm。
(2)石墨模具设计与制作。根据设计的浇注系统，通过软件求差方式生成石墨模具图。铸件石墨模具由型芯、外模、底板和直浇口组成。将型芯分为上、中、下三块，每块之间通过凹凸结构进行定位，分体加工后组装成型。其中下型芯上部为凸结构，中型芯下部为凹结构，上部为凸结构，上型芯下部为凹结构，上部设有凹槽，凹槽直径120mm，深度40mm。每块型芯内部非承力结构通过机加工去除，减少型芯有效壁厚至40mm。外模为一分为二结构，从上到下依次开设三个孔，孔直径为12mm，底部为凹结构，与底板相配合。底板设计为凸结构，内径为下型芯直径440mm，外径为外模凹结构直径480mm。直浇口顶部根据浇口杯尺寸设计，底部直径为118mm，长度为40mm，与上型芯上部凹槽配合。
(3)石墨模具除气。将机加工好的石墨模具在除气炉中进行除气，石墨模具在常温下入炉，抽真空至除气炉真空度≤2Pa，经过2.5小时升温至700℃，保温1.5小时，再经过1.5小时升温到900℃，保温5小时，随炉冷却至350℃出炉。
(4)石墨模具装配。将除气后的石墨模具按照模具组装图进行装配。先将底板固定在钛合金凝壳炉底板上，再将下型芯装在底板上，下型芯下部嵌入底板凸结构内部凹陷部分；将中型芯装在下型芯上，中型芯、下型芯之间通过凹凸结构定位；再将上型芯装在中型芯上，上型芯、中型芯之间通过凹凸结构定位。型芯组装完成后组装外模，先将一半外模组装到位，外模与底板通过凹凸结构进行定位，再将另一半外模组装到位，两部分外模之间压紧固定。接着，将直浇口装入上型芯中，直浇口嵌入上型芯凹槽部分。
(5)铸件浇注成形。将装配完成后的石墨模具连同凝壳炉底板放入钛合金熔炼炉内，通过凝壳炉底板进行定位，确保石墨模具直浇口与浇口杯相同嵌套。抽真空，在真空度≤1Pa时开始熔炼，熔化钛合金锭并浇注成形铸件。
依据上面的钛合金铸件生产方法，制备出了钛合金舱体铸件(见图3)，铸件内部质量满足GJB 2896A-2007中Ⅰ类铸件要求，X射线检测一次合格率100％，实际使用效果优异，已运用于实际生产。

Claims (7)

1.一种大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
浇注系统设计：浇注系统采用底注式浇注，圆台型铸件直径大的部分在底部，直径小的部分在顶部；
石墨模具设计与制作：根据浇注系统，设计石墨模具图，所述石墨模具采用分体制造；
石墨模具除气：所述石墨模具在常温下进入除气炉除气，所述除气炉真空度小于3Pa；
石墨模具装配：将除气后的分体的所述石墨模具进行装配组合；
铸件浇注成形：将装配完成后的所述石墨模具放入钛合金凝壳炉内，抽真空，熔炼时保持真空度小于2Pa，熔化钛合金锭并浇注成形。
2.根据权利要求1所述的大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，所述石墨模具包括型芯、外模、底板和直浇口；
所述型芯分为上、中、下三部分，所述三部分的分割面采用凹凸结构进行定位装配，所述型芯通过凹凸结构装配固定在底板上；
所述外模分为上下两部分，从上到下依次开设三个孔，所属孔径在10-15mm，所述外模通过凹凸结构装配固定在底板上；
所述底板的内径为所述型芯下部分直径相等，所述底板的外径为所述外模下部分直径；
所述直浇口顶部与浇口杯尺寸相等，所述直浇口与所述型芯的上部分相配合。
3.根据权利要求2所述的大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，所述底板装配固定在所述钛合金凝壳炉底板上，使所述直浇口与所述浇口杯嵌套。
4.根据权利要求1所述的大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，所述浇注系统包括直浇道、横浇道、内浇道、拔模和冒口；
所述直浇道从铸件顶部贯穿到铸件底部，所述直浇道顶部尺寸大于底部尺寸，且所述直浇道顶部高于铸件顶部高度，形成浇注压头；所述直浇道中心线与铸件中心线重合；
所述横浇道在铸件下方，截面为圆柱形，所述直浇道底部与横浇道齐平；
所述内浇道连接横浇道和铸件，结构呈圆弧状；
所述冒口设置在铸件顶部，结构呈圆弧状，所述冒口底部尺寸等于铸件顶部尺寸；
所述拔模斜度在-5°～-10°。
5.根据权利要求4所述的大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，所述横浇道数量在6-12个。
6.根据权利要求1所述的大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，所述分体的石墨模具内部非承力部分通过机加工去除。
7.根据权利要求1所述的大型复杂圆台型钛合金铸造方法，其特征在于，所述石墨模具在所述除气炉中经过2～3小时升温至650～750℃，保温1～2小时，再经过1～2小时升温到850～950℃，保温4～6小时后，随炉冷却至400℃以下出炉。
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