CN109622908B - 一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，包括步骤：(1)将陶瓷型壳垂直倒置于配有夹扣的离心盘上，保证陶瓷型壳、夹扣、离心盘形成一个轴向整体；(2)待钛铝母合金完全熔化后启动离心旋转电机，当离心盘转速达到设定转速后5‑10秒，将钛铝熔体浇注到涡轮陶瓷型壳的型腔中，熔体进入型腔后离心旋转电机继续旋转3‑10秒；(3)在离心浇注结束前2～5秒，启动离心旋转电机的强制刹车装置使离心盘在3～8秒内完全停止旋转，实现对涡轮轮毂的补缩。本发明提供的轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，既能保证薄壁叶片完整充型、又能保证厚大轮毂冶金质量。

Description

一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法

技术领域

本发明涉及轻质钛铝涡轮铸造技术领域，特别是涉及一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法。

背景技术

钛铝合金是一种低密度(约3.9g/cm3)、高比刚度、高比强度和优异抗氧化性的新型轻质高温结构材料。采用这种轻质材料代替密度约8.0g/cm3的镍基高温合金制作增压涡轮，可显著降低涡轮转子的转动惯量，将提高涡轮增压发动机的瞬态响应性和提升发动机性能。当前，应用轻质钛铝合金增压涡轮是涡轮增压技术的必然发展趋势。

然而，由于钛铝合金熔体凝固区间窄、流动性差、铸造静压头作用小等特点，该材料的铸造充型性能和补缩效果均明显低于镍基高温合金。而增压涡轮是由薄壁叶片和厚大轮毂构成的复杂部件，其中叶片最小壁厚为0.3～2.0mm，轮毂部位厚度约是叶片壁厚的100倍。铸造过程中，要求同时兼顾薄壁叶片的充型和厚大轮毂的补缩。

文献(高Nb-TiAl增压涡轮熔模铸造过程数值模拟，杨亮等，热加工工艺，2014,43(9)：72-74)采用数值模拟研究了钛铝涡轮的重力浇注工艺，结果发现薄壁叶片部位普遍存在欠浇、冷隔等充型不完整的现象。为了解决薄壁叶片的充型不完整问题，该作者还提出了侧向离心和顶注轴向离心工艺，尽管利用离心力场作用有利于解决薄壁叶片的充型不完整的问题，但侧向离心涡轮在叶片上产生缩松缺陷，而顶注轴向离心涡轮在厚大的轮毂部位产生大尺寸缩孔缺陷。文献(TiAl基合金涡轮熔模型壳离心精密铸造，苏彦庆等，稀有金属材料与工程，2002,51(4)：295-298)进行了侧向离心铸造工艺的试验验证，但所铸涡轮大部分叶片欠浇，且因所有叶片充型不同步而存在叶片质量一致性较差的问题。目前，常规的重力浇注和离心浇注工艺，均未能同时解决薄壁叶片充型不完整以及厚大轮毂部位存在疏松缺陷的问题。

此外，专利JP7116821报道了一种钛铝涡轮的反重力铸造工艺，通过施加反重力外场作用和顺序充填，制备出叶片充型完整和轮毂冶金质量良好的外径30～75mm的钛铝涡轮铸件，但由于要求高的差压和充型速率，该工艺并不适用于铸造更大尺寸的钛铝涡轮。

为实现外径80mm以上钛铝涡轮的精密铸造，尚需开发一种既能保证薄壁叶片完整充型、又能保证厚大轮毂冶金质量的精密铸造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，以解决上述现有技术存在的问题，既能保证薄壁叶片完整充型、又能保证厚大轮毂冶金质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，包括如下步骤：

(1)将提前预热好的陶瓷型壳垂直倒置于配有夹扣的离心盘上，并调整陶瓷型壳与夹扣的轴向同轴度，保证陶瓷型壳、夹扣、离心盘三者形成一个轴向整体结构；

(2)采用成分为Ti-47.5Al-3.5(V,Cr)at.％的钛铝母合金，采用真空感应悬浮炉进行重熔浇注；待钛铝母合金完全熔化后启动离心旋转电机，当离心盘转速达到设定转速后5-10秒，将钛铝熔体浇注到涡轮陶瓷型壳的型腔中，熔体进入型腔后离心旋转电机继续旋转3-10秒；

(3)在离心浇注结束前2～5秒，启动离心旋转电机的强制刹车装置使离心盘在3～8秒内完全停止旋转，实现对涡轮轮毂的补缩。

可选的，步骤(3)中，最大直径在80～130mm、最小叶片厚度在0.3～1.0mm的涡轮，离心转速为700～1500rpm，熔体旋转时间为3～5秒；最大直径至少为130mm、最小叶片厚度至少为1.0mm的涡轮，离心转速为300～700rpm，熔体旋转时间为5～10秒。

可选的，步骤(4)中，最大直径在80～130mm、最小叶片厚度在0.3～1.0mm的涡轮，强制刹车装置的启动时间为浇注结束前2～3秒，完全停机时间3～5秒；最大直径至少为130mm、最小叶片厚度至少为1.0mm的涡轮，强制刹车装置的启动时间为浇注结束前3～5秒，完全停机为5～8秒。

可选的，步骤(1)中所述陶瓷型壳包括内部中空且彼此连通的补缩冒口和涡轮，补缩冒口设置于涡轮正上方。

可选的，步骤(1)中所述夹扣包括外径能够调节的上夹扣和下夹扣；陶瓷型壳固定卡接于所述上夹扣和下夹扣内，且所述上夹扣和下夹扣将所述陶瓷型壳和离心盘固定为一体。

可选的，所述陶瓷型壳和上夹扣、下夹扣同轴设置，且同轴度≤3mm。

可选的，所述离心旋转电机设置于所述离心盘底部，所述强制刹车装置活动设置于所述离心旋转电机两侧。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明针对增压涡轮叶片薄壁而轮毂厚大的复杂结构特点以及钛铝合金熔体铸造充型性能和补缩性能不足的缺点，提出了在立式离心铸造结束前施加强制刹车的方法，耦合了立式离心铸造有利于薄壁叶片充型、立式重力铸造有利于厚大轮毂补缩的优点，互补了立式离心铸造不利于轮毂补缩、立式重力铸造不利于薄壁叶片充型的缺点，从而同时保证钛铝涡轮叶片的充型和轮毂的补缩，实现了中等以上规格钛铝涡轮的精密铸造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明轻质钛铝涡轮的立式离心精铸装置结构简图；

其中，1为补缩冒口，2为涡轮，3为上夹扣，4为下夹扣，5为离心盘，6为离心旋转电机，7强制刹车装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，以解决上述现有技术存在的问题，既能保证薄壁叶片完整充型、又能保证厚大轮毂冶金质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，该方法所采用的装置主要包括陶瓷型壳，如图1所示，陶瓷型壳包括内部中空且彼此连通的补缩冒口1和涡轮2，补缩冒口1设置于涡轮2正上方。夹扣包括外径能够调节的上夹扣3和下夹扣4；陶瓷型壳固定卡接于上夹扣3和下夹扣4内，且上夹扣3和下夹扣4将陶瓷型壳和离心盘5固定为一体。陶瓷型壳和上夹扣3、下夹扣4同轴设置，且同轴度≤3mm。离心旋转电机6设置于离心盘5底部，强制刹车装置7活动设置于离心旋转电机6两侧。

采用上述装置的轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法包括如下步骤：

(1)将提前预热好的陶瓷型壳垂直倒置于配有夹扣的离心盘5上，并调整陶瓷型壳与夹扣的轴向同轴度，保证陶瓷型壳、夹扣、离心盘5三者形成一个轴向整体结构；

(2)采用成分为Ti-47.5Al-3.5(V,Cr)at.％的钛铝母合金，采用真空感应悬浮炉进行重熔浇注；待钛铝母合金完全熔化后启动离心旋转电机6，当离心盘5转速达到设定转速后5-10秒，将钛铝熔体浇注到涡轮陶瓷型壳的型腔中，熔体进入型腔后离心旋转电机6继续旋转3-10秒，保证薄壁钛铝叶片的完整充型；

(3)在离心浇注结束前2～5秒，启动离心旋转电机6的强制刹车装置7使离心盘5在3～8秒内完全停止旋转，以避免金属液在高速旋转离心力作用下甩出补缩冒口1，从而保证补缩冒口1中具有足够的金属液和轴向温度梯度，实现对涡轮轮毂的补缩。

进一步优选的，根据涡轮最大外径、叶片最小壁厚、叶片长度、轮毂最大直径等结构特点，选择合适的主要离心浇注工艺参数，包括浇注温度、砂箱预热温度、离心转速、熔体旋转时间、刹车启动时间和完全停机时间。步骤(3)中，最大直径在80～130mm、最小叶片厚度在0.3～1.0mm的涡轮，离心转速为700～1500rpm，熔体旋转时间为3～5秒；最大直径至少为130mm、最小叶片厚度至少为1.0mm的涡轮，离心转速为300～700rpm，熔体旋转时间为5～10秒。步骤(4)中，最大直径在80～130mm、最小叶片厚度在0.3～1.0mm的涡轮，强制刹车装置7的启动时间为浇注结束前2～3秒，完全停机时间3～5秒；最大直径至少为130mm、最小叶片厚度至少为1.0mm的涡轮，强制刹车装置7的启动时间为浇注结束前3～5秒，完全停机为5～8秒。

实施例一

所用涡轮外径100mm、叶片长度35mm、最小厚度约0.7mm、轮毂最大直径，优选的主要工艺参数如下：浇注温度为1650℃、砂箱预热温度为1000℃、离心转速为1000rpm、熔体旋转时间为3秒、刹车启动时间为离心浇注结束前3s、完全停机时间为4秒。采用上述工艺，所浇注涡轮铸件所有叶片均充型完整，轮毂部位在100倍光学显微镜下未见超过100μm的疏松缺陷。

实施例二

所用涡轮外径160mm、叶片长度50mm、最小厚度约1.6mm、轮毂最大直径，优选的主要工艺参数如下：浇注温度为1600℃、砂箱预热温度为400℃、离心转速为300rpm、熔体旋转时间为5秒、刹车启动时间为离心浇注结束前5s、完全停机时间为6秒。采用上述工艺，所浇注涡轮铸件所有叶片均充型完整，轮毂部位在100倍光学显微镜下未见超过100μm的疏松缺陷。可见，本专利所述方法解决大尺寸涡轮轮毂部位补缩不足的效果非常显著。

实施例一和实施例二中涡轮的主要结构参数和浇注工艺分别详见表1和表2。

表1实施例所用涡轮的主要结构参数

表2实施例所用涡轮的主要浇注工艺参数

本发明基于常规立式离心铸造工艺，提出了在离心浇注结束前对离心盘施加强制刹车的方法，并根据涡轮结构特点，除常规铸造工艺参数(例如浇注温度、砂箱预热温度等)外，合理设计离心转速、熔体旋转时间以及刹车启动和完全停机时间等关键工艺参数，同时保证钛铝涡轮薄壁叶片完整充型和厚大轮毂冶金质量。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将提前预热好的陶瓷型壳垂直倒置于配有夹扣的离心盘上，并调整陶瓷型壳与夹扣的轴向同轴度，保证陶瓷型壳、夹扣、离心盘三者形成一个轴向整体结构；

(2)待钛铝母合金完全熔化后启动离心旋转电机，当离心盘转速达到设定转速后5-10秒，将钛铝熔体浇注到涡轮陶瓷型壳的型腔中，熔体进入型腔后离心旋转电机继续旋转3-10秒；

(3)在离心浇注结束前2～5秒，启动离心旋转电机的强制刹车装置使离心盘在3～8秒内完全停止旋转，实现对涡轮轮毂的补缩；所述陶瓷型壳包括内部中空且彼此连通的补缩冒口和涡轮，补缩冒口设置于涡轮正上方；所述夹扣包括外径能够调节的上夹扣和下夹扣；陶瓷型壳固定卡接于所述上夹扣和下夹扣内，且所述上夹扣和下夹扣将所述陶瓷型壳和离心盘固定为一体；所述陶瓷型壳和上夹扣、下夹扣同轴设置，且同轴度≤3mm。

2.根据权利要求1所述的轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，其特征在于：步骤(3)中，最大直径在80～130mm、最小叶片厚度在0.3～1.0mm的涡轮，离心转速为700～1500rpm，熔体旋转时间为3～5秒；最大直径至少为130mm、最小叶片厚度至少为1.0mm的涡轮，离心转速为300～700rpm，熔体旋转时间为5～10秒。

3.根据权利要求1所述的轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，其特征在于：步骤(4)中，最大直径在80～130mm、最小叶片厚度在0.3～1.0mm的涡轮，强制刹车装置的启动时间为浇注结束前2～3秒，完全停机时间3～5秒；最大直径至少为130mm、最小叶片厚度至少为1.0mm的涡轮，强制刹车装置的启动时间为浇注结束前3～5秒，完全停机为5～8秒。

4.根据权利要求1所述的轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，其特征在于：所述离心旋转电机设置于所述离心盘底部，所述强制刹车装置活动设置于所述离心旋转电机两侧。

5.根据权利要求1所述的轻质钛铝涡轮的立式离心精铸方法，其特征在于：钛铝母合金成分为Ti-47.5Al-3.5(V,Cr)at.％的；步骤(2)中采用真空感应悬浮炉进行重熔浇注。

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