CN110479989A - 一种耐高温钛合金铸件的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新材料加工技术领域，公开了一种耐高温钛合金铸件的加工方法，通过研究钛合金特性以及铸造特点，利用挤压铸造法将制备得到纳米氧化钇材料采用熔融添加方式熔覆在钛合金中，优化了钛合金的α+β相组织构成，降低了非稳态组织所占比，向细小均匀的片层组织转化，该加工方法对钛合金液的利用率高，省去了热处理强化步骤，制备得到的钛合金铸件能够发挥极好的耐高温性，散热效果好，同时，力学性能显著提升，该加工方法能够很好的克服钛合金流动性差，充型能力一般的特性，能够细化晶粒，可以消除宏观结构上缩孔以及微观结构上的缩松现象，可以制造出形状结构复杂的加工零件，铸件表面质量好，从而延长了钛合金铸件的使用寿命。

Description

一种耐高温钛合金铸件的加工方法
技术领域
本发明属于新材料加工技术领域，具体涉及一种耐高温钛合金铸件的加工方法。
背景技术
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。钛合金是以钛元素为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α-钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β-钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及组分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。
铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，在各个领域发挥重要作用。随着技术的发展，人们需要性能更强的材料来加工制备铸件，其中，钛合金材料的性能逐渐被发掘出来，但现有的加工技术仍然是采用把冶炼好的液态金属混合物，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经打磨等后续加工手段后，得到的具有一定形状，尺寸和性能的铸造件。该方法忽略了钛合金本身的性质特点，由于钛合金材料流动性较差，充型性不好，尤其是在制备形状复杂的铸件时，采用常规的铸造方法会出现致密性不足、缩孔缩松、晶粒粗大、气密性差，导致产品出现力学性能下降、散热性降低等影响使用效果和使用寿命的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种耐高温钛合金铸件的加工方法，该加工方法对钛合金液的利用率高，省去了热处理强化步骤，制备得到的钛合金铸件能够发挥极好的耐高温性，散热效果好，同时，力学性能显著提升。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.037-0.040%的纳米氧化钇粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置4-6分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却8-10秒后，挤入到310-330℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1800-1840KN压力，保压时间为34-38秒，初始挤压速度为0.04-0.05米/秒，维持10-12秒后，保持0.12-0.14米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述钛合金铸锭为钛-铝基合金，其中钛金属所占质量百分比在45-51%之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述纳米氧化钇粉末制备方法为：称取0.5-0.6毫摩氧化钇粉末置于烧杯中，加入45-50毫升摩尔浓度为2.8-3.0摩尔/升的硝酸溶液，把烧杯置于磁力搅拌器上，使氧化钇溶解均匀，再逐滴加入氨水，直到沉淀不再产生，将得到的沉淀过滤，反复用纯水洗涤，收集沉淀至真空干燥箱中，在110-115℃下干燥2-4小时，最后放入箱式电阻炉中，升温至1100-1200℃煅烧，煅烧时间为1.3-1.5小时，自然冷却后最终得到粒径大小在36-40纳米之间的花簇状纳米氧化钇。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述脱氧除气过程中使用的试剂由碳化硅与碳化钙按照质量比为1:8.0-8.5的比例混合得到。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述模具型腔中涂覆了厚度为1.4-1.6微米的氧化锆涂层。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述冷却8-10秒后温度降至超出液相线30-40℃。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述合模力在16880-16900KN之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述脱模力在280-290KN之间。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决钛合金铸件加工中，采用常规的铸造方法会出现致密性不足、缩孔缩松、晶粒粗大、气密性差，导致产品出现力学性能下降、散热性降低等影响使用效果和使用寿命的问题，本发明提供了一种耐高温钛合金铸件的加工方法，通过研究钛合金特性以及铸造特点，利用挤压铸造法将制备得到纳米氧化钇材料采用熔融添加方式熔覆在钛合金中，优化了钛合金的α+β相组织构成，降低了非稳态组织所占比，向细小均匀的片层组织转化，该加工方法对钛合金液的利用率高，省去了热处理强化步骤，制备得到的钛合金铸件能够发挥极好的耐高温性，散热效果好，同时，力学性能显著提升，该加工方法能够很好的克服钛合金流动性差，充型能力一般的特性，能够细化晶粒，可以消除宏观结构上缩孔以及微观结构上的缩松现象，可以制造出形状结构复杂的加工零件，铸件表面质量好，从而延长了钛合金铸件的使用寿命，提高了钛合金铸件的使用安全性以及工作效率，本发明有效解决了钛合金铸件加工中，采用常规的铸造方法会出现致密性不足、缩孔缩松、晶粒粗大、气密性差，导致产品出现力学性能下降、散热性降低等影响使用效果和使用寿命的问题，提高了钛合金铸件的综合性能，改善铸件品质，满足了特定的工作环境，降低了损坏率和维修费用，能够实现提高工业化效率的现实意义，在机械制造、航空航天、轻量化工业中具有更广泛的运用，显著促进功能性材料健康快速发展以及资源可持续发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.037%的纳米氧化钇粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置4分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却8秒后，挤入到310℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1800KN压力，保压时间为34秒，初始挤压速度为0.04米/秒，维持10秒后，保持0.12米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述钛合金铸锭为钛-铝基合金，其中钛金属所占质量百分比在45-51%之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述纳米氧化钇粉末制备方法为：称取0.5毫摩氧化钇粉末置于烧杯中，加入45毫升摩尔浓度为2.8摩尔/升的硝酸溶液，把烧杯置于磁力搅拌器上，使氧化钇溶解均匀，再逐滴加入氨水，直到沉淀不再产生，将得到的沉淀过滤，反复用纯水洗涤，收集沉淀至真空干燥箱中，在110℃下干燥2小时，最后放入箱式电阻炉中，升温至1100℃煅烧，煅烧时间为1.3小时，自然冷却后最终得到粒径大小在36-40纳米之间的花簇状纳米氧化钇。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述脱氧除气过程中使用的试剂由碳化硅与碳化钙按照质量比为1:8.0的比例混合得到。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述模具型腔中涂覆了厚度为1.4微米的氧化锆涂层。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述冷却8秒后温度降至超出液相线30℃。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述合模力在16880-16900KN之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述脱模力在280-290KN之间。
实施例2
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.038%的纳米氧化钇粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置5分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却9秒后，挤入到320℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1820KN压力，保压时间为36秒，初始挤压速度为0.045米/秒，维持11秒后，保持0.13米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述钛合金铸锭为钛-铝基合金，其中钛金属所占质量百分比在45-51%之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述纳米氧化钇粉末制备方法为：称取0.55毫摩氧化钇粉末置于烧杯中，加入48毫升摩尔浓度为2.9摩尔/升的硝酸溶液，把烧杯置于磁力搅拌器上，使氧化钇溶解均匀，再逐滴加入氨水，直到沉淀不再产生，将得到的沉淀过滤，反复用纯水洗涤，收集沉淀至真空干燥箱中，在112℃下干燥3小时，最后放入箱式电阻炉中，升温至1150℃煅烧，煅烧时间为1.4小时，自然冷却后最终得到粒径大小在36-40纳米之间的花簇状纳米氧化钇。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述脱氧除气过程中使用的试剂由碳化硅与碳化钙按照质量比为1:8.2的比例混合得到。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述模具型腔中涂覆了厚度为1.5微米的氧化锆涂层。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述冷却9秒后温度降至超出液相线35℃。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述合模力在16880-16900KN之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述脱模力在280-290KN之间。
实施例3
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.040%的纳米氧化钇粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置6分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却10秒后，挤入到330℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1840KN压力，保压时间为38秒，初始挤压速度为0.05米/秒，维持12秒后，保持0.14米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
作为对上述方案的进一步描述，所述钛合金铸锭为钛-铝基合金，其中钛金属所占质量百分比在45-51%之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述纳米氧化钇粉末制备方法为：称取0.6毫摩氧化钇粉末置于烧杯中，加入50毫升摩尔浓度为3.0摩尔/升的硝酸溶液，把烧杯置于磁力搅拌器上，使氧化钇溶解均匀，再逐滴加入氨水，直到沉淀不再产生，将得到的沉淀过滤，反复用纯水洗涤，收集沉淀至真空干燥箱中，在115℃下干燥4小时，最后放入箱式电阻炉中，升温至1200℃煅烧，煅烧时间为1.5小时，自然冷却后最终得到粒径大小在36-40纳米之间的花簇状纳米氧化钇。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（1）所述脱氧除气过程中使用的试剂由碳化硅与碳化钙按照质量比为1:8.5的比例混合得到。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述模具型腔中涂覆了厚度为1.6微米的氧化锆涂层。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述冷却10秒后温度降至超出液相线40℃。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述合模力在16880-16900KN之间。
作为对上述方案的进一步描述，步骤（2）所述脱模力在280-290KN之间。
对比例1
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，进行精炼，脱氧除气后静置5分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却9秒后，挤入到320℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1820KN压力，保压时间为36秒，初始挤压速度为0.045米/秒，维持11秒后，保持0.13米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
对比例2
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.040%的氧化钇粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置5分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却9秒后，挤入到320℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1820KN压力，保压时间为36秒，初始挤压速度为0.045米/秒，维持11秒后，保持0.13米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
对比例3
一种耐高温钛合金铸件的加工方法，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.040%的纳米氧化钪粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置5分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却9秒后，挤入到320℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1820KN压力，保压时间为36秒，初始挤压速度为0.045米/秒，维持11秒后，保持0.13米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
对比例4
与实施例2的区别仅在于，钛合金铸件的制备中，步骤（1）中，纳米氧化钇粉末的制备方法采用水热合成法，其余保持一致。
对比例5
与实施例2的区别仅在于，钛合金铸件的制备中，步骤（2）中，初始挤压速度为0.025米/秒，其余保持一致。
对比实验
分别使用实施例1-3和对比例1-5的方法加工耐高温钛合金铸件，以钛-铝基合金（钛含量占50.5%、铝占48%、钒占1%、碳占0.34%、剩余为不可避免杂质）作为加工对象，以专利公开号为CN102688988A公开的一种复杂微构件的微熔模精铸成形方法作为对照组进行加工，采用上述各组方法制备得到尺寸为高50毫米直径为20毫米的圆锥形试样，试验过程中使用各组方法制样5个，分别进行性能测试（在试样同一地方测试，表面要平整，厚度均匀），试验中保持无关变量一致，采用单因素分析法结合热稳定、硬度和拉升强度测试等方法进行结果统计分析（实验前利用统计学方法进行试验设计，然后进行试验并记录试验数据，分析得到试验结果，过程中充分利用统计学工具对结果加以最大程度的解释），结果如下表所示：
（热性能试验使用TGA热分析仪进行测试；力学试验在MFT-5000 万能摩擦磨损试验机上进行）
本发明有效解决了钛合金铸件加工中，采用常规的铸造方法会出现致密性不足、缩孔缩松、晶粒粗大、气密性差，导致产品出现力学性能下降、散热性降低等影响使用效果和使用寿命的问题，提高了钛合金铸件的综合性能，改善铸件品质，满足了特定的工作环境，降低了损坏率和维修费用，能够实现提高工业化效率的现实意义，在机械制造、航空航天、轻量化工业中具有更广泛的运用，显著促进功能性材料健康快速发展以及资源可持续发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。

Claims (8)

1.一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将钛合金铸锭清洗干净烘干后置于石墨坩埚电阻炉中进行熔炼，待铸锭全部融化后，加入质量分数占铸锭质量0.037-0.040%的纳米氧化钇粉末，轻微搅拌后进行精炼，脱氧除气后静置4-6分钟，进行除渣；
（2）将除渣后的合金液冷却8-10秒后，挤入到310-330℃下预热排气后的器件模具型腔中，在挤压铸造设备工作下，合模加压，施加1800-1840KN压力，保压时间为34-38秒，初始挤压速度为0.04-0.05米/秒，维持10-12秒后，保持0.12-0.14米/秒的速度移动，待合金液完全凝固后开模取件即可。
2.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，所述钛合金铸锭为钛-铝基合金，其中钛金属所占质量百分比在45-51%之间。
3.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，步骤（1）所述纳米氧化钇粉末制备方法为：称取0.5-0.6毫摩氧化钇粉末置于烧杯中，加入45-50毫升摩尔浓度为2.8-3.0摩尔/升的硝酸溶液，把烧杯置于磁力搅拌器上，使氧化钇溶解均匀，再逐滴加入氨水，直到沉淀不再产生，将得到的沉淀过滤，反复用纯水洗涤，收集沉淀至真空干燥箱中，在110-115℃下干燥2-4小时，最后放入箱式电阻炉中，升温至1100-1200℃煅烧，煅烧时间为1.3-1.5小时，自然冷却后最终得到粒径大小在36-40纳米之间的花簇状纳米氧化钇。
4.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，步骤（1）所述脱氧除气过程中使用的试剂由碳化硅与碳化钙按照质量比为1:8.0-8.5的比例混合得到。
5.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，步骤（2）所述模具型腔中涂覆了厚度为1.4-1.6微米的氧化锆涂层。
6.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，步骤（2）所述冷却8-10秒后温度降至超出液相线30-40℃。
7.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，步骤（2）所述合模力在16880-16900KN之间。
8.如权利要求1所述一种耐高温钛合金铸件的加工方法，其特征在于，步骤（2）所述脱模力在280-290KN之间。
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