CN109967714A - 用于钛合金环形件的复合离心铸型 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸造技术领域，具体涉及用于钛合金环形件的复合离心铸型，包含圆筒状的石墨型壳和圆筒状的陶瓷型壳，陶瓷型壳的筒体外套设石墨型壳并一体扣合，陶瓷型壳的外筒壁与石墨型壳的内筒壁间形成与环形铸件相同的密封型腔，陶瓷型壳的筒体内设置直浇道，直浇道长度方向上设置一层横浇道或间隔分布的多层横浇道，每层横浇道均包括以直浇道为中心呈辐射状延伸至陶瓷型壳的筒壁并连通密封型腔的多个水平横浇道。该复合离心铸型促使钛合金液由外侧的石墨型壳向内侧的陶瓷型壳依次顺序凝固，增强凝固过程中的补缩效果，提高组织致密度，细化表面晶粒，防止凝固裂纹产生。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，具体涉及用于钛合金环形件的复合离心铸型。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐热腐蚀及稳定性好等优异性能，是航空航天、能源、化学等领域不可缺少的材料，被誉为太空金属。钛合金零件的设计，向着大型、结构复杂、薄壁方向发展，导致钛合金零件的铸造技术难度也越来越高。
钛合金环形薄壁铸件，一般用真空自耗电极凝壳炉离心铸造，采用石墨铸型或者陶瓷铸型。机加石墨型具有优良的化学稳定性，导热系数高，激冷能力强，可以细化表面晶粒，但冷凝速度过快，充型困难。陶瓷型壳导热系数低，利于充型，但对于薄壁环形件，导热系数过低使金属液凝固方式趋于同时凝固，由于没有补缩通道，组织疏松程度高。离心铸型虽推动了钛合金环形薄壁铸件的发展，但由于石墨铸型与陶瓷铸型自身的缺陷，同时也在一定程度上阻碍了钛合金环形薄壁铸件的发展程度与水平。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供用于钛合金环形件的复合离心铸型，该复合离心铸型促使形成钛合金环形件的钛合金液由外侧的石墨型壳向内侧的陶瓷型壳依次顺序凝固，离心铸造过程中产生的离心力有效提高内侧未凝固金属液的补缩效果，提高钛合金环形件的组织致密度，钛合金环形件外表面的晶粒细化，同时又降低钛合金环形件凝固裂纹产生倾向。
本发明的技术方案为，用于钛合金环形件的复合离心铸型，包含圆筒状的石墨型壳和圆筒状的陶瓷型壳，陶瓷型壳的筒体外套设石墨型壳并一体扣合，陶瓷型壳的外筒壁与石墨型壳的内筒壁间形成与钛合金环形件相同的密封型腔，型腔的中心线、陶瓷型壳的中心线和石墨型壳的中心线重叠，陶瓷型壳的筒体内设置直浇道，直浇道位于型腔的中心线上，在直浇道长度方向上设置一层横浇道或间隔分布的多层横浇道，每层横浇道均包括以直浇道为中心呈辐射状延伸至陶瓷型壳的筒壁并连通密封型腔的多个水平横浇道，每个水平横浇道均连通直浇道。
陶瓷型壳筒体内设置的直浇道和直浇道长度方向上设置的一层横浇道或间隔分布的多层横浇道同陶瓷型壳一体成型。
陶瓷型壳与石墨型壳通过相对应端部间的密封连接而一体扣合。
直浇道长度方向上设置的一层横浇道或间隔分布的多层横浇道分布于陶瓷型壳筒壁的1/3～2/3高度的等高度处。
所述每个水平横浇道的截面为圆形。
优选，陶瓷型壳的筒体内设置直浇道，在直浇道长度方向上设置一层横浇道，该层横浇道包括以直浇道为中心呈辐射状延伸至陶瓷型壳的筒壁并连通密封型腔的4个水平横浇道，每个水平横浇道均连通直浇道。每个水平横浇道与陶瓷型壳的筒壁的连接处位于筒壁的1/3～2/3高度处，优选位于筒壁的1/2高度处。
所述陶瓷型壳为氧化物陶瓷型壳，从陶瓷型壳的外筒壁至内筒壁方向上的结构依次为1层面层、6～8层过渡层和1层背层，优选为1层面层、6层过渡层和1层背层。
面层包括浆料和耐火材料，浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％～0.5％润湿剂，优选0.2％润湿剂；0.1％～0.5％消泡剂，优选0.1％消泡剂；及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3～4，优选1：3.5；粘结剂包括碳酸锆铵或者硅溶胶，优选碳酸锆铵；氧化物包括氧化钇、氧化锆或氧化钙，优选氧化钇；耐火材料的粒径为200～500目，优选200目；耐火材料包括锆英粉、锆英砂或莫来砂，优选锆英砂。
每层过渡层包括浆料和耐火材料，浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％～0.5％润湿剂，优选0.2％润湿剂；0.1％～0.5％消泡剂，优选0.1％消泡剂；及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3～4，优选1：3.8；粘结剂包括碳酸锆铵或硅溶胶，优选硅溶胶；氧化物的粒径为200～500目，优选200目；氧化物包括氧化钇、锆英粉、氧化锆或氧化钙，优选锆英粉；耐火材料的粒径为50～80目，优选60目；耐火材料包括锆英粉、锆英砂或莫来砂，优选莫来砂。
背层为浆料，浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％～0.5％润湿剂，优选0.2％润湿剂；0.1％～0.5％消泡剂，优选0.1％消泡剂；及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3～4，优选1：3.8；粘结剂包括碳酸锆铵或硅溶胶，优选硅溶胶；氧化物的粒径为200～500目，优选200目；氧化物包括氧化钇、锆英粉、氧化锆或氧化钙，优选锆英粉。
石墨型壳上设置有排气孔。
相对于现有技术，本发明的优点在于：本发明用于钛合金环形件的复合离心铸型，促使钛合金环形壳体铸件用金属液由位于外侧的石墨型壳一侧向位于内侧的陶瓷型壳一侧顺序凝固，避免产生凝固热节，离心力又有效提高内侧未凝固金属液的补缩效果，提高组织致密度，位于外侧的石墨型壳的激冷效应利于细化晶粒，位于内侧的陶瓷型壳优异的退让性又可降低凝固裂纹的产生。
附图说明
图1为实施例1用于TC4钛合金环形件的陶瓷-石墨复合立式离心铸型示意图。
图2为陶瓷型立式离心铸型中TC4钛合金环形件凝固过程温度分布图。
图3为实施例1陶瓷-石墨复合立式离心铸型中TC4钛合金环形件凝固过程温度分布图。
图4为陶瓷型立式离心铸型中IMI834钛合金机匣的疏松分布图。
图5为石墨型立式离心铸型中IMI834钛合金机匣的疏松分布图。
图6为实施例2陶瓷-石墨复合立式离心铸型中IMI834钛合金机匣的疏松分布图。
1-TC4钛合金环形件，11-薄壁部位，12-厚壁部位，13-过渡部位，2-石墨型壳，3-陶瓷型壳，31-直浇道，32-横浇道，321-水平横浇道，4-密封型腔。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1陶瓷-石墨复合立式离心铸型铸造TC4钛合金环形件
TC4钛合金环形件的成分为Ti-6.24Al-4.01V(质量分数，％)，直径550mm，高度300mm，薄壁处壁厚6mm。
根据TC4钛合金环形件设计铸造用陶瓷-石墨复合立式离心铸型，如图1所示，包含圆筒状的石墨型壳2和圆筒状的陶瓷型壳3，陶瓷型壳3的筒体外套设石墨型壳2，陶瓷型壳3与石墨型壳2通过相对应端部间的相互粘结而一体扣合，陶瓷型壳3的外筒壁与石墨型壳2的内筒壁间形成与TC4钛合金环形件相同的密封型腔4，密封型腔4的中心线、陶瓷型壳3的中心线和石墨型壳2的中心线重叠，陶瓷型壳3的筒体内设置有直浇道31和一层横浇道32，直浇道31位于密封型腔4的中心线上，横浇道32包括以直浇道31为中心呈辐射状延伸至陶瓷型壳3的筒壁并连通密封型腔4的4个水平横浇道321，每个水平横浇道321与陶瓷型壳3的筒壁的连接处位于筒壁的1/2高度处，每个水平横浇道321均连通直浇道31。陶瓷-石墨复合立式离心铸型的铸造过程如下：
(1)制备陶瓷型壳
a.蜡模压制：压蜡机控制温度62℃，注蜡压力4.8MPa，保压时间500s；
b.蜡模组合：恒温间23℃，环形组装台组合，保证蜡模和直浇道的同轴度；
c.钛合金用陶瓷型壳涂料、干燥：先在蜡模表面涂覆面层浆料，再喷淋面层耐火材料，后干燥形成一层面层；在面层上涂覆过渡层浆料，再喷洒过渡层耐火材料，后干燥，如此重复6次，形成6层过渡层；在最外层过渡层上涂覆浆料，干燥，形成背层；
面层和过渡层的干燥温度23℃～24℃，湿度为60％～70％，不开风扇；背层干燥温度为23℃～24℃，湿度为50％～60％，风速为6～8m/s；
面层浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％润湿剂，0.1％消泡剂，及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3.5；粘结剂为碳酸锆铵，氧化物为氧化钇；
面层耐火材料为粒径200目锆英砂；
过渡层浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％润湿剂，0.1％消泡剂，及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3.8；粘结剂为硅溶胶，氧化物为锆英粉；
过渡层耐火材料为粒径60目莫来砂；
背层浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％润湿剂，0.1％消泡剂，及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3.8；粘结剂为硅溶胶，氧化物为锆英粉。
d.陶瓷型壳脱蜡、焙烧：脱蜡蒸汽压力：0.65MPa，脱蜡时间：10分钟；焙烧温度1150℃，焙烧时间45min。
(2)制备石墨型壳：利用数控加工设备按照三维数模机械加工，石墨型预先设计排气孔。
(3)陶瓷-石墨复合立式离心铸型的组装与使用：按照图1，利用组装平台组装陶瓷型壳与石墨型壳，辅助工装固定，铸造TC4钛合金环形件。
陶瓷型立式离心铸型中TC4钛合金环形件凝固过程中温度分布(有限元软件ProCAST模拟)如图2所示，TC4钛合金环形件1的环形壁上设置有薄壁部位11和厚壁部位12，薄壁部位11和厚壁部位12在环形壁的竖向延伸方向上交替排列，薄壁部位11的温度场集中在1620℃～1630℃范围内，厚壁部位12的温度场集中在1640℃～1650℃范围内，薄壁部位11与厚壁部位12间还存在温度场集中在1630℃～1640℃范围内的过渡部位13，厚壁部位12的温度高于相邻的薄壁部位11，极易在厚壁部位上形成热节，引起疏松缺陷；且厚壁部位12从陶瓷型铸型至厚壁部位的中心区域方向上，温度逐渐升高，厚壁部位12中心区域的温度(高于液相线温度Tlip：1648.3℃)高于厚壁部位12其它区域的温度，极易在厚壁部位12的中心区域形成热节，再次加重疏松缺陷。薄壁部位11与陶瓷铸型的接触区域，及厚壁部位12与陶瓷铸型的接触区域的温度均高于固相线温度(Tsol)1608.7℃，激冷能力弱，造成表面晶粒粗大，且薄壁部位11、厚壁部位12及两者之间过渡部位13所在区域分别趋于同时凝固，相互之间缺少补缩通道，加剧组织疏松度。
本实施例陶瓷-石墨复合立式离心铸型中TC4钛合金环形件凝固过程中温度分布如图3所示，TC4钛合金环形件1的环形壁的竖向延伸方向上交替排列的薄壁部位11和厚壁部位12，在由内侧的陶瓷型壳一侧至外侧的石墨型壳一侧的方向上，温度层分布依次为1630℃～1650℃温度层、1620℃～1630℃温度层、1610℃～1620℃温度层、1600℃～1610℃温度层、1580℃～1600℃温度层，薄壁部位11和厚壁部位12在由内侧的陶瓷型壳一侧至外侧的石墨型壳一侧的相同厚度部位的温度层分布相同，薄壁部位11和厚壁部位12间不曾出现温度介于两者之间的过渡部位13，在由内侧的陶瓷型壳一侧至外侧的石墨型壳一侧的相同厚度部位的薄壁部件11和厚壁部件12同时凝固，避免薄壁部位11和厚壁部位12各自内部存在的热节或两者间存在的热节导致的补缩通道缺失从而引起疏松缺陷，且钛合金液从外侧的石墨型壳一侧至内侧的陶瓷型壳一侧逐渐凝固，提供补缩通道及时补充钛合金液，避免冷凝速度过快而导致的充型困难，内侧的陶瓷型壳退让性好，降低凝固裂纹的产生；1580℃～1600℃温度层，因直接与石墨型壳接触，钛合金液从高于液相线温度(Tlip)1648.3℃迅速降温至低于固相线温度(Tsol)1608.7℃而凝固，细化表面晶粒。
实施例2陶瓷-石墨复合立式离心铸型铸造IMI834钛合金机匣
IMI834钛合金成分为Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si(质量分数，％)；
IMI834钛合金机匣直径380mm，高度210mm，薄壁处壁厚8mm。
采用同实施例1的陶瓷-石墨复合立式离心铸型的铸造工艺制备用于铸造IMI834钛合金机匣的陶瓷-石墨复合立式离心铸型，陶瓷-石墨复合立式离心铸型中IMI834钛合金机匣的疏松分布图如图6所示，陶瓷型立式离心铸型中IMI834钛合金机匣的疏松分布图如图4所示，石墨型立式离心铸型中IMI834钛合金机匣的疏松分布图如图5所示，图4、图5和图6中黑斑为疏松率大于2％的区域。
图4陶瓷型立式离心铸型中，黑斑组织多而密集，因IMI834钛合金机匣厚壁区域的中心部位较其他部位凝固缓慢，不能及时补缩，形成大块的疏松缺陷，基于同样的原因，薄壁部位出现同程度的疏松缺陷，IMI834钛合金机匣的疏松体积及疏松部位的疏松率均很大，不符合使用要求。
图5石墨型立式离心铸型中，黑斑组织同样多而密集，因石墨铸型的激冷效应，靠近石墨铸型的IMI834钛合金机匣边缘部位的钛合金液快速凝固，越靠近石墨铸型钛合金液冷凝速度越快，而IMI834钛合金机匣的中心部位，尤其是厚壁区域的中心部位，因相对远离石墨铸型的低热交换效率，凝固缓慢，形成热节，补缩不及时导致大块的疏松缺陷，IMI834钛合金机匣的疏松体积及疏松部位的疏松率均很大，不符合使用要求。
图6陶瓷-石墨复合立式离心铸型中，铸造IMI834钛合金机匣的钛合金液从外侧的石墨型壳至内侧的陶瓷型壳顺序凝固，IMI834钛合金机匣的薄壁部位和厚壁部位在由外侧石墨型壳至内侧陶瓷型壳的相同厚度部位的温度层分布相同，薄壁部位和厚壁部位的各自内部及两者间均不存在热节，并在离心力作用下及时补缩，IMI834钛合金机匣的疏松体积和疏松部位的疏松率均大幅降低，符合使用要求。
上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.用于钛合金环形件的复合离心铸型，其特征在于，包含圆筒状的石墨型壳和圆筒状的陶瓷型壳，陶瓷型壳的筒体外套设石墨型壳并一体扣合，陶瓷型壳的外筒壁与石墨型壳的内筒壁间形成与钛合金环形件相同的密封型腔，型腔的中心线、陶瓷型壳的中心线和石墨型壳的中心线重叠，陶瓷型壳的筒体内设置直浇道，直浇道位于型腔的中心线上，在直浇道长度方向上设置一层横浇道或间隔分布的多层横浇道，每层横浇道均包括以直浇道为中心呈辐射状延伸至陶瓷型壳的筒壁并连通密封型腔的多个水平横浇道，每个水平横浇道均连通直浇道。
2.根据权利要求1所述的复合离心铸型，其特征在于，陶瓷型壳筒体内设置的直浇道和直浇道长度方向上设置的一层横浇道或间隔分布的多层横浇道同陶瓷型壳一体成型，陶瓷型壳与石墨型壳通过相对应端部间的密封连接而一体扣合。
3.根据权利要求1所述的复合离心铸型，其特征在于，每个水平横浇道的截面为圆形。
4.根据权利要求1所述的复合离心铸型，其特征在于，在直浇道长度方向上设置一层横浇道，该层横浇道包括以直浇道为中心呈辐射状延伸至陶瓷型壳的筒壁并连通密封型腔的4个水平横浇道，每个水平横浇道均连通直浇道。
5.根据权利要求4所述的复合离心铸型，其特征在于，每个水平横浇道与陶瓷型壳的筒壁的连接处位于筒壁的1/3～2/3高度处。
6.根据权利要求1所述的复合离心铸型，其特征在于，所述陶瓷型壳为氧化物陶瓷型壳，从陶瓷型壳的外筒壁至内筒壁方向上的结构依次为1层面层、6～8层过渡层和1层背层。
7.根据权利要求6所述的复合离心铸型，其特征在于，面层包括浆料和耐火材料，浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％～0.5％润湿剂、0.1％～0.5％消泡剂及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3～4；粘结剂包括碳酸锆铵或者硅溶胶，氧化物包括氧化钇、氧化锆或氧化钙，耐火材料的粒径为200～500目，耐火材料包括锆英粉、锆英砂或莫来砂。
8.根据权利要求6所述的复合离心铸型，其特征在于，每层过渡层包括浆料和耐火材料，浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％～0.5％润湿剂、0.1％～0.5％消泡剂及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3～4；粘结剂包括碳酸锆铵或硅溶胶，氧化物的粒径为200～500目，氧化物包括氧化钇、锆英粉、氧化锆或氧化钙，耐火材料的粒径为50～80目，耐火材料包括锆英粉、锆英砂或莫来砂。
9.根据权利要求6所述的复合离心铸型，其特征在于，背层为浆料，浆料包括质量百分数的以下成分：0.2％～0.5％润湿剂、0.1％～0.5％消泡剂及余量的粘结剂和氧化物，粘结剂和氧化物的质量比为1：3～4；粘结剂包括碳酸锆铵或硅溶胶，氧化物的粒径为200～500目，氧化物包括氧化钇、锆英粉、氧化锆或氧化钙。
10.根据权利要求1所述的复合离心铸型，其特征在于，石墨型壳上设置有排气孔。
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