CN109986040A - 一种防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法 - Google Patents

Abstract

为了解决钛合金铸件因残余热应力引起的铸件变形问题，本发明提供了一种防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，本发明的关键步骤为：(1)通过真空自耗凝壳熔炼和离心铸造工艺浇注大型复杂钛合金铸件，离心转速设置为100rpm‑300rpm，铸件随炉冷却至100℃‑300℃出炉；(2)将钛合金铸件和铸型一起转入真空退火炉，采取500℃‑800℃/2h‑6h/FC的去应力退火，在铸型的约束下消除铸件的残余应力；(3)铸件清产并去除浇冒口，完成本发明的防变形处理过程。

Description

一种防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法

技术领域

本发明属于钛合金的铸造技术领域，特别提供一种用于大型复杂钛合金铸件防变形的工艺方法。

背景技术

钛及钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、非磁性、线胀系数小等许多优点，被人们称为“现代金属”、“太空金属”等。它们不仅在航空航天、舰船制造、石油加工、海洋工程、建筑装饰等领域被用作结构材料、耐热材料、耐蚀材料，而且在超导材料、形状记忆材料、吸气储氢材料等领域也引起人们越来越多的关注。

钛及钛合金零件或结构件可通过锻造、精密铸造、粉末冶金等方式成形，70年代以来，钛合金锻件在飞机上的应用已比较常见，但钛合金零件不易加工，且加工余量大，机械加工费用为整个零件价格的70-80％。为了减低钛合金零件的制造成本，各种净形或近净形制造技术被相应开发出来，对于钛合金，精密铸造是最成功也是应用最为广泛的近净形制造技术，它可显著提高原材料的利用率(可达75％-90％)，降低加工成本，特别是热等静压技术广泛应用于钛合金铸件，使得某些铸造缺陷得以消除，钛合金铸件的力学性能及其稳定性明显改善，促使钛合金铸件在宇航工业中取得了广泛的应用。

随着航空、航天和船舶领域的快速发展，钛合金铸件对大型化、复杂化整体铸造技术提出了更高的要求。而铸件变形是大型复杂钛合金铸造生产中的一种常见缺陷，产生铸件变形的原因很多，如不合理的铸件结构，不合理的浇注方案，铸件尺寸等。针对变形，通常采取冷矫形和热矫形的方式对铸件进行矫正。

然而，铸件的矫正需要设计矫形工装，压型模具和胎具等，并且在矫形过程中容易引发二次裂纹。本发明通过铸型作为铸件的约束条件，在合理的去应力退火工艺下，使残余应力得到释放，达到防止钛铸件发生变形的目的。

发明内容

为了解决大型复杂钛合金铸件因残余应力导致的严重变形问题，本发明提供一种防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，该方法利用铸型约束铸件，在浇注后炉冷至适当温度后，把铸件和铸型一同转入真空退火炉进行去应力退火，可有效阻止该类铸件因残余应力而发生严重变形。

本发明技术方案如下：

一种防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：通过真空自耗凝壳熔炼及离心铸造工艺浇注大型复杂钛合金铸件，铸件经真空自耗凝壳炉浇注后随炉冷却至100℃-300℃出炉，转入真空退火炉，铸件随型进行去应力退火。

本发明的关键步骤包括：(1)通过真空自耗凝壳炉完成钛合金铸件的离心浇注，待铸件随炉冷却至适当温度开炉；(2)将铸件和铸型一同转入真空退火炉，采取合理的去应力退火工艺；(3)清除铸型和型芯，去除浇冒口，得到最终铸件。

首先，通过真空自耗凝壳炉离心铸造工艺，浇注钛合金铸件，离心转速为100rpm-300rpm，铸件随炉冷却至100℃-300℃出炉，铸件尺寸越大，出炉温度应越低。

然后，立即将钛合金铸件随型转入真空退火炉，去应力退火工艺为500℃-800℃/2h-6h/FC(优选工艺为600℃-750℃/2h-6h/FC)，在铸型的约束下消除铸件的残余应力，铸件壁厚越大，退火温度应越高，铸件结构越复杂，相应的保温时间应越长。

最后，清除铸型和型芯，去浇冒口，得到最终铸件。

本发明所述钛合金为TA15、TC4、TA2、Ti60等合金，该方法主要适用于铸件重量≥400kg的大型复杂结构钛合金铸件和尺寸≥φ300mm的钛合金环形铸件，可有效阻止该类铸件因残余应力而发生严重变形。

本发明所述方法特别适用于大型复杂结构的钛合金铸件，如最大尺寸≥1.2m，具有变曲面和多腔道结构的铸件，铸件最小壁厚2mm，最大壁厚30mm。

本发明通过铸件随铸型一起进行真空热处理，采取合理的去应力退火工艺，使残余应力在铸型的约束下得到有效释放，避免了严重变形的发生，在实际生产中取得了较好的效果。

具体实施方式

实施例1

铸件名称：头部外壳，材质为TA15合金。

首先，通过真空自耗凝壳炉熔化母合金锭，通过离心铸造工艺浇注头部外壳铸件，离心浇注转速为250rpm，铸件随炉冷却至300℃出炉；将铸件和铸型一同转入真空退火炉，退火工艺为650℃/3h/FC；最后，清除铸型和型芯，切除浇冒口，完成本发明的防变形处理过程。

头部外壳铸件外观为环形，外壁部分位置存在大面积镂空结构，并且存在着壁厚差，铸件凝固收缩时易造成环形圆整度不足，经过本发明的防变形处理，铸件尺寸三维扫描及比对结果合格。

实施例2

铸件名称：中介机匣，材质为TC4合金。

首先，通过真空自耗凝壳炉熔化母合金锭，通过离心铸造工艺浇注中介机匣铸件，离心浇注转速为150rpm，铸件随炉冷却至200℃出炉；将铸件和铸型一同转入真空退火炉，退火工艺为700℃/5h/FC；最后，清除铸型和型芯，切除浇冒口，完成本发明的防变形处理过程。

中介机匣铸件重量为500kg以上，外形基本结构为圆台形框架，内部多为曲面结构，并设有筋、槽孔、腔、凸台等复杂结构，铸件最厚处为34.6mm，最薄处厚度仅为5mm。经过本发明的防变形处理，铸件尺寸三维扫描结果合格，符合加工要求。

实施例3

铸件名称：转台，材质为TA15合金。

首先，通过真空自耗凝壳炉熔化母合金锭，通过离心铸造工艺浇注转台铸件，离心浇注转速为100rpm，铸件随炉冷却至100℃出炉；将铸件和铸型一同转入真空退火炉，退火工艺为750℃/6h/FC；最后，清除铸型和型芯，切除浇冒口，完成本发明的防变形处理过程。

转台铸件外形为圆台形结构，尺寸1800mm×1250mm×710mm，内含多个复杂内腔结构。由于铸件外廓尺寸较大，在铸件整体凝固收缩时，内腔尺寸容易产生偏差，经过本发明的防变形处理，铸件内腔尺寸合格，外廓尺寸符合进一步加工要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：通过真空自耗凝壳熔炼及离心铸造工艺浇注大型复杂钛合金铸件，铸件经真空自耗凝壳炉浇注后随炉冷却至100℃-300℃出炉，转入真空退火炉，铸件随型进行去应力退火。

2.按照权利要求1所述防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：浇注钛合金铸件时，离心转速为100rpm-300rpm。

3.按照权利要求1或2所述防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：去应力退火工艺参数为500℃-800℃/2h-6h/FC。

4.按照权利要求3所述防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：去应力退火工艺参数为600℃-750℃/2h-6h/FC。

5.按照权利要求1所述防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：所述钛合金为TA15、TC4、TA2、Ti60合金。

6.按照权利要求1所述防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：所述钛合金铸件为铸件重量≥400kg的大型复杂结构钛合金铸件，或的钛合金环形铸件。

7.按照权利要求1所述防止大型复杂钛合金铸件变形的工艺方法，其特征在于：所述大型复杂钛合金铸件最大尺寸≥1.2m，具有变曲面和多腔道结构，铸件最小壁厚2mm，最大壁厚30mm。