CN111375731A - 一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，利用所制备的浇铸模具整体浇铸成型所需的钛合金铸件，所述浇铸模具的外型为机加工石墨型，内芯为陶瓷模壳，机加工石墨型和陶瓷模壳组型后，两者之间为浇铸型腔，在机加工石墨型和陶瓷模壳组型前，利用所调配的涂料对所述机加工石墨型上与铸件相接触的表面进行涂层处理；所述涂料的调配方法是：按照90~95:5~10的重量比将氧化钇和氧化锆混合成混合粉体，再将混合粉体和硅溶胶按照2~4:1的重量比混合调配涂料膏，然后向涂料膏中加入1~2滴消泡剂，搅拌均匀，得到涂层处理所用的涂料。该发明突破了高温钛合金铸件的制备瓶颈，为航空、航天领域高温钛合金铸件的研制提供技术支撑。

Description

一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺

技术领域

本发明属于钛合金铸造领域，尤其涉及一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺。

背景技术

高温钛合金铸件目前生产工艺还不成熟，采用常规的熔模精密铸造以及机加工石墨型铸造方案均无法满足高温钛合金的浇注。两种方案对于高温钛合金来说存在一下的优缺点。

对于机加工石墨型铸造工艺来说，铸造过程变形较小，尺寸精度可以较好控制，但是铸件的表面冷隔、裂纹严重。

对于熔模精密铸造工艺来说，铸件的表面流痕及冷隔缺陷较少，但是该工艺容易引入高密度夹杂缺陷，且变形不易控制。

大型骨架类钛铸件多应用于航空、航天领域，具有轮廓尺寸相对较大、结构复杂、壁厚跨度大、尺寸精度要求高等特点，尤其对于尺寸长度超过1000mm、直径超过500mm的骨架，采用整体铸造技术难度极高。

把熔模精密铸造应用于高温钛合金大型骨架类钛合金铸件的生产，获得的铸件外观质量好，但是采用熔模精密铸造生产大型薄壁钛铸件的生产过程中，在蜡模阶段的变形不易控制，蜡模的变形造成最终铸件尺寸超差，严重时造成铸件报废，且铸件成品率较低，目前国内对于大型骨架类钛合金铸件如果采用熔模精密铸造，为保证工艺路线可行性，多采用分段方案，然后进行电子束焊接的路线，但该工艺路线使得电子束焊的难度倍增，且成品率也相对较低。

高温钛合金大型骨架类钛合金铸件若采用机加工石墨型铸造生产，由于石墨型的导热性好，蓄热系数高，获得的铸件表面易产生微裂纹，且充型极限低，对于高温钛合金来说高温钛合金中添加的Si、C等间隙元素会降低高温钛合金铸件在铸造过程中更易产生裂纹，甚至是穿透性裂纹，而无法获得质量合格的铸件。另外，采用机加工石墨型铸造生产薄壁铸件时，在薄壁部位经常出现浇不足的现象。但是石墨型钛铸件变形量较小，在保证铸件充型完整的情况下，其成品率高。

高温钛合金由于其添加了提高高温性能元素的原因，相比与常规的铸造钛合金具有充型性能差、室温塑性差、裂纹倾向大、补焊困难等特点。但高温钛合金相比于应用广泛的ZTC4和ZTA15合金，具有使用温度高的特点，高温钛合金使用温度可以达到650℃以上，而ZTC4和ZTA15合金使用温度不超过550℃。从航空航天领域的发展来看，耐650℃以上高温钛合金具有迫切需求，而把高温钛合金应用与大型骨架类钛铸件对制备工艺提出了新挑战，目前没有稳定的制备工艺可以实现高温钛合金大型骨架类钛铸件的研制。因此，有必要研制一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，该工艺对浇铸模具的结构和制作方法进行优化，解决大型薄壁高温钛合金铸件的裂纹、流痕及尺寸精度问题，使高温钛合金大型薄壁铸件实现了顺利生产，且降低了生产及研发成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，利用所制备的浇铸模具整体浇铸成型所需的钛合金铸件，所述浇铸模具的外型为机加工石墨型，内芯为陶瓷模壳，机加工石墨型和陶瓷模壳组型后，两者之间为浇铸型腔，在机加工石墨型和陶瓷模壳组型前，利用所调配的涂料对所述机加工石墨型上与铸件相接触的表面进行涂层处理；所述涂料的调配方法是：按照90~95:5~10的重量比将氧化钇和氧化锆混合成混合粉体，再将混合粉体和硅溶胶按照2~4:1的重量比混合调配涂料膏，然后向涂料膏中加入1~2滴消泡剂，搅拌均匀，得到涂层处理所用的涂料。

所述涂层处理之前，利用压缩空气将机加工石墨型上与铸件接触的表面清理干净。

将所调配的涂料均匀刷在机加工石墨型的表面，在第一层刷涂后干燥0.5~1h，再刷涂第二层涂料，并干燥处理，待涂层表面完全干燥后，用砂纸轻微打磨涂层表面的流痕和凸起，打磨后，用压缩空气将石墨表面处理干净。

将完成涂层处理的机加工石墨型放入真空除气炉内进行真空除气，在进行装炉时，要避免将其它石墨型置于有涂层的石墨型型腔中，并且在陶瓷模壳制备完成后，机加工石墨型再出炉进行组型。

所述陶瓷模壳为氧化钇复合模壳。

所述氧化钇复合模壳制备时，在金属模具内均匀挂涂面层涂层，再逐层制备4~6层背层涂层，然后进行烘干、焙烧和表面打磨处理，得到氧化钇复合模壳。

所述面层涂层所用涂料是氧化钇和硅溶胶按照粉液比为（5±0.2）：1混合后制成的。

所述背层涂层所用涂料是刚玉砂和硅溶胶按照粉液比为（2.0±0.2）：1混合后制成的。

本发明的原理以及优点如下：本发明提供了一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，综合利用机加工石墨型铸造和熔模精密铸造的优点，制备出内外缺陷少、变形小的高温钛合金铸件。经石墨涂层处理的石墨外型，可避免石墨型的表面激冷，改善高温钛合金铸件表面流痕及裂纹问题，内型采用空心的陶瓷芯可避免石墨硬模退让性差的问题。

经发明人研究发现，高温钛合金由于其材料的特殊性，单一采用常规的机加工石墨型铸造和熔模精密铸造工艺方案均无法获得品质优良的高温钛合金铸件。

如果只采用机加工石墨型及刷涂料处理方案并不能解决高温钛合金铸件的裂纹问题，采用机加工石墨型工艺，对试验铸件进行高温钛合金浇注，浇注后进行荧光检测发现，铸件表面流痕缺陷虽明显减少，但仍存在大量穿透性裂纹及表面裂纹。

如果采用机加工石墨外型（不刷涂料）以及陶瓷型芯也不能解决高温钛合金铸件的裂纹问题，采用该工艺方案仍浇注试验铸件，浇注后进行荧光检测发现，铸件外表面仍出现较多较深裂纹，且裂纹出现位置不规则，但铸件的内表面光顺无流痕缺陷，且未出现明显裂纹。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，包括如下步骤：

步骤一、对机加工石墨型上和钛液接触的表面利用压缩空气处理干净；

步骤二、按照90~95:5~10的重量比将氧化钇和氧化锆混合成混合粉体，再将混合粉体和硅溶胶按照2~4:1的粉液比混合调配涂料膏，然后向涂料膏中加入1~2滴消泡剂，搅拌均匀，得到涂层处理所用的涂料；

步骤三、将上一步调配好的涂料用毛刷刷涂到石墨型内腔上与铸件相接触的表面，在第一层刷涂后干燥0.5~1h，再刷涂第二层涂料，以此类推，直到刷涂到所需厚度并刷涂均匀后，将石墨型放置10h以上，待涂层表面完全干燥后，用砂纸轻微打磨涂层表面的流痕和凸起，打磨后，用压缩空气将石墨型表面处理干净；

步骤四，将经步骤三处理后的石墨型放入真空除气炉进行真空除气，装炉时应注意避免将其它石墨型置于有涂层的石墨型型腔中，从而避免在装炉、出炉吊装石墨型过程中出现其它石墨型和涂层划擦现象，并且需要在陶瓷模壳制备完成后，石墨型在出炉进行组型；

步骤五，由氧化钇和硅溶胶按照粉液比为（5±0.2）：1混合后制成面层涂料，由刚玉砂和硅溶胶按照粉液比为（2.0±0.2）：1混合后制成背层涂料，然后在制作陶瓷模壳的金属模具内使用所制备的面层涂料均匀挂涂面层涂层，再利用所制备的背层涂料逐层制备4~6层背层涂层，然后进行烘干、焙烧和表面打磨处理，得到氧化钇复合模壳，即所需的陶瓷模壳，经尺寸检测合格后备用，所制备的氧化钇复合模壳在保证室温强度和高温强度的同时，可以提高透气性和退让性；

步骤六，将步骤四处理后的石墨型和步骤五制备的陶瓷模壳进行组型，两者之间为浇铸型腔；

步骤七，大型骨架类高温钛合金铸件采用自耗凝壳铸造炉进行静止水平卧式浇铸，浇铸时采用内部多通道密集浇铸、上部和底部同时浇铸，确保充型性良好，得到所需的铸件。

具体实施例：采用上述方法浇铸轮廓尺寸800×650×1600mm，带开口的不规则长圆筒结构，浇铸采用800kg自耗凝壳铸造炉进行静止水平卧式浇铸，浇铸后对铸件进行了100%X光探伤检测，内部没有裂纹缺陷，但有少量气孔和疏松缺陷，可补焊消除，经100%荧光检查铸件表面有少量浅表层裂纹，对骨架铸件的表面及内部少量缺陷补焊和探伤复验，经1~2次补焊，即可全部消除全部超标缺陷，满足GJB 2896A-2007 B级的质量要求。

采用上述方法一次性成功浇注了大型骨架类高温钛合金铸件。该方法突破了高温钛合金铸件的制备瓶颈，为航空、航天领域高温钛合金铸件的研制提供技术支撑。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，利用所制备的浇铸模具整体浇铸成型所需的钛合金铸件，所述浇铸模具的外型为机加工石墨型，内芯为陶瓷模壳，机加工石墨型和陶瓷模壳组型后，两者之间为浇铸型腔，其特征在于：在机加工石墨型和陶瓷模壳组型前，利用所调配的涂料对所述机加工石墨型上与铸件相接触的表面进行涂层处理；所述涂料的调配方法是：按照90~95:5~10的重量比将氧化钇和氧化锆混合成混合粉体，再将混合粉体和硅溶胶按照2~4:1的重量比混合调配涂料膏，然后向涂料膏中加入1~2滴消泡剂，搅拌均匀，得到涂层处理所用的涂料。

2.根据权利要求1所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：所述涂层处理之前，利用压缩空气将机加工石墨型上与铸件接触的表面清理干净。

3.根据权利要求1所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：将所调配的涂料均匀刷在机加工石墨型的表面，在第一层刷涂后干燥0.5~1h，再刷涂第二层涂料，并干燥处理，待涂层表面完全干燥后，用砂纸轻微打磨涂层表面的流痕和凸起，打磨后，用压缩空气将石墨表面处理干净。

4.根据权利要求3所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：将完成涂层处理的机加工石墨型放入真空除气炉内进行真空除气，在进行装炉时，要避免将其它石墨型置于有涂层的石墨型型腔中，并且在陶瓷模壳制备完成后，机加工石墨型再出炉进行组型。

5.根据权利要求1所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：所述陶瓷模壳为氧化钇复合模壳。

6.根据权利要求5所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：所述氧化钇复合模壳制备时，在金属模具内均匀挂涂面层涂层，再逐层制备4~6层背层涂层，然后进行烘干、焙烧和表面打磨处理，得到氧化钇复合模壳。

7.根据权利要求6所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：所述面层涂层所用涂料是氧化钇和硅溶胶按照粉液比为（5±0.2）：1混合后制成的。

8.根据权利要求6所述的大型骨架类高温钛合金铸件的整体制备工艺，其特征在于：所述背层涂层所用涂料是刚玉砂和硅溶胶按照粉液比为（2.0±0.2）：1混合后制成的。