CN113926992A - 一种钛合金铸件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金铸件的制备方法，包括以下步骤：（1）模组制备：直接机加工制备与铸件相适配的铸件模样及浇注系统模样，组合获得模组；（2）表面处理：将模组清洗后浸蜡获得表面覆盖蜡层的模组；（3）型壳制备：对步骤（2）获得的模组依次制作面层和加固层，经焙烧后水洗、烘干获得用于浇注的型壳；（4）浇注成型：向步骤（3）获得的型壳内浇注钛合金溶液，经脱壳处理后制得钛合金铸件。本发明通过合理设计工艺方案及控制参数，获得内部质量及外观质量优异的钛合金铸件产品，对于单件、小批量生产的钛合金铸件，可显著降低生产成本。

Description

一种钛合金铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及材料成型技术领域，具体涉及一种钛合金铸件的制备方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐腐蚀、密度小、无磁、生物相容性好等优势，是一种理想的结构和功能金属材料，可显著降低装备重量，提高装备寿命及性能，广泛应用于航空航天、石油化工、舰船、海洋工程等领域。与锻造机加工等其它成型工艺相比，钛合金铸件能够生产各种形状复杂构件，减少生产工序，提高金属利用率，优势显著。但受钛合金铸件制备难度大、生产流程长、模具及铸型材料昂贵、工艺复杂等因素影响，钛合金铸件价格比铸钢件高10~50倍或以上，限制进一步推广应用，年生产量不足千吨，导致市场规模仍然较小。

钛的高化学活性使其浇注时与铸型材料极易发生激烈化学反应，产生铸造缺陷，因此普遍采用惰性材料等作为铸型材料。目前，钛合金铸件生产主要采用机加工石墨型和熔模精密铸造两种传统铸造工艺，均存在成本高、周期长问题。机加工石墨型铸造工艺，需采用价格昂贵的高纯石墨作为铸型材料，石墨用量大，铸型加工及组型工序复杂、周期长，且由于石墨激冷作用，导致铸件表面留痕、冷隔缺陷严重，而熔模精密铸造工艺，需要首先制作射蜡金属模具，金属模具制备成本高、加工周期长，对于单件或小批量生产的钛合金铸件，生产成本高、经济效益差，因此，迫切需要降低钛合金铸件生产成本的新工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金铸件的制备方法，该方法通过合理设计工艺方案及控制参数，获得内部质量及外观质量优异的钛合金铸件产品，对于单件、小批量生产的钛合金铸件，可显著降低生产成本。

本发明为了达到上述技术目的所采用的技术方案是：

一种钛合金铸件的制备方法，包括以下步骤：

（1）模组制备：直接机加工制备出与铸件相适配的铸件模样及浇注系统模样，组合获得模组；

（2）表面处理：将模组清洗后浸蜡以降低步骤（1）中机加工所产生的粗糙度，获得表面覆盖蜡层的模组；

（3）型壳制备：对步骤（2）获得的模组依次制作面层和加固层，经焙烧后水洗、烘干获得用于浇注的型壳；

（4）浇注成型：向步骤（3）获得的型壳内浇注钛合金溶液，经脱壳处理后制得钛合金铸件。

进一步地，步骤（1）中使用粘结剂将铸件模样与浇注系模样进行组合。

进一步地，步骤（2）表面处理的具体过程为：将模组采用清洗剂清洗后风干备用，将低温蜡升温至50-90℃，加入10%-30%重量百分比的硬脂酸混合均匀，将风干备用的模组浸蜡后用热风机轻吹表面即得表面覆盖蜡层的模组。

进一步地，步骤（3）中面层的制作过程为：将氧化钇粉、消泡剂加入中性胶中进行搅拌配制得到面层浆料，将步骤（2）获得的模组浸面层浆料后撒砂制得具有面层的模组。

进一步地，所述面层浆料的粘度值为33-38S。

进一步地，步骤（3）中加固层的制作过程为：将莫来粉加入硅溶胶中配制得到加固层浆料，将制作有面层的模组浸加固层浆料后撒砂制得具有加固层的模组。

进一步地，重复多道次所述加固层的制作过程获得具有多层加固层的模组。

进一步地，第一道次和第二道次的加固层制作过程中，加固层浆料的粘度值为21-27S，剩余道次的加固层制作过程中，加固层浆料的粘度值为13-20S。

进一步地，步骤（3）中焙烧的具体过程为：先将模组升温至300-400℃，通风并保温0.5-1h，再升温至1000-1100℃，保温5-6h，最后冷却至室温。

进一步地，步骤（4）中采用真空自耗炉进行浇注。

本发明的有益效果：

1.生产周期短、成本低：本发明的制备方法直接根据铸件形状尺寸特征对材料进行直接机加工制备模样，对于单件、小批量生产的钛合金铸件，与机加工石墨型和熔模精密铸造两种传统铸造工艺相比，节省了石墨铸型和射蜡金属模具设计、加工时间和费用，可大幅缩短生产周期，并降低生产成本。

2.设计灵活、操作简单：由于采用直接机加工的方法制备模组，不受石墨铸型及金属射蜡模具分型限制，模组可由不同模块模样加工后直接粘结而成，因此，铸件设计灵活、设计自由度大，且模组及铸件制备操作简单。

3.铸件内外部质量好：由于模组采用机加工直接进行处理，加工后模组表面存在加工痕迹，使得铸件表面产生较高的粗糙度，本发明通过优化浸蜡配方、温度及方法，在模组表面形成一层致密、光洁的浸蜡层，大幅改善了机加工原因造成的铸件表面粗糙度，此外，通过优化型壳制备过程中面层及加固层浆料的粘度值，采用合理的焙烧工艺及型壳水洗方法，避免了型壳制备过程中涨壳、掉料及模组焙烧灰分残留问题，从而显著改善了铸件内部夹杂质量问题。

4.本发明采用阶梯焙烧工艺，利用消失模气化时的膨胀系数与模壳的受热相变及胶凝时的膨胀系数不一样，在第一阶段，达到消失模的气化温度时，通风让消失模充分的氧化气化，消失模氧化气化后，继续升温，使模壳材料相继达到相变的温度，进行相变胶凝，提高强度，可进一步避免型壳在焙烧过程中出现胀壳、壳裂等问题。

附图说明：

图1为实施例1所要制备得到的钛合金铸件的结构示意图；

图2为实施例1制备得到的钛合金铸件的实物示意图；

图3为对比例1-1制备得到的钛合金铸件的实物示意图；

图4为实施例2所要制备得到的钛合金铸件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

制备ZTC4材质的钛合金铸件，如图1所示，铸件的直径为Φ238mm，高度52mm，制备数量为1件。

一种钛合金铸件的制备方法，包括以下步骤：

(1)模组制备：采用可机加工材料，例如蜡，根据待生产铸件图纸，直接机加工出钛合金铸件模样1件、浇注系统模样1件，模样加工完毕后，使用粘结剂将铸件与浇注系统模样进行组合，获得模组，其中粘结剂使用普通市售的粘结剂即可。

(2)表面处理：将模组在清洗剂中进行清洗后进行风干，获得表面洁净的模组；将低温蜡置于蜡缸中，蜡温升至50-90℃使低温蜡融化，加入10-30%重量百分比的的硬脂酸混合均匀，需要说明的是该重量百分比指的是硬脂酸占低温蜡的质量百分比，即以重量份数计，若使用100份低温蜡，则加入10-30份的硬脂酸，以调整蜡液的流动性，改善浸蜡层厚度、表面粗糙度及质量；然后将模组放入蜡缸浸蜡，浸蜡完成后，使用热风机轻吹表面，获得表面覆盖蜡层的模组。

(3)型壳制备：

第一步：面层的制作，将氧化钇粉、消泡剂加入中性胶中进行搅拌配制面层浆料，面层浆料的粘度值为33-38S，本实施例为33S，面层涂料配制完毕后，将表面覆盖蜡层的模组浸入面层浆料，浸浆后在模组上撒砂。

需要说明的是，粘度值的测定采用国家的标准杯，即容积为100ml、流出孔径为Φ6mm的流杯，测量方法为将流杯浸入浆料2-3S后提起流杯，并在提起时开始计时，当流出的浆料由流变为滴时，计时结束，以所得的时间来表征粘度值，本发明未特殊说明处，所涉及到的粘度值均为此方法测得。

第二步：加固层的制作，将莫来粉加入硅溶胶中配制加固层浆料，将第一步得到的模组浸入加固层浆料中，然后撒砂，该撒砂与第一步中的撒砂所用的砂均可采用氧化锆，待干燥后可重复多道次加固层的制作过程，获得具有多层加固层的模组，加固层可制备8-10层，在本实施例中加固层共有8层，每重复一次加固层的制备过程即可增加一层加固层，即本实施例共进行了8道次的加固层制作过程，其中，第一道次和第二道次制作加固层的过程中，加固层浆料的粘度值控制在21-27S，本实施例为23S，剩余道次中，加固层浆料的粘度值控制在13-20S，本实施例为15S。

第三步：焙烧，待第二步加固层干燥后，将带有面层和加固层的模组在焙烧炉中焙烧，为防止模组烧失时型壳裂，焙烧工艺实施阶梯式焙烧工艺，先将型壳升温至第一阶梯温度300-400℃，焙烧炉通风，保温0.5-1h，然后再升温至第二阶梯温度1000-1100℃，保温5-6h，焙烧掉模组和蜡层，随后冷却至室温得到模壳，通常冷却至60℃以下即可，本实施例具体实施时第一阶梯温度为300℃，保温1h，第二阶梯温度为1000℃，保温5h。

第四步：水洗模壳并烘干，将却至60℃以下的模壳使用温水冲洗，并在焙烧炉中烘干型壳，获得用于浇注的型壳。

(4)铸件浇铸：采用真空自耗炉向步骤（3）获得的型壳内浇注钛合金溶液完成钛合金铸件的浇注。

(5)后处理：铸件浇注完毕后进行清壳、去除浇道、修整、热等静压、探伤、荧光等工序，获得钛合金铸件产品，产品如图2所示，经检测，该钛合金铸件符合GJB2896A-2007 B级的质量要求，表面粗糙度为Ra6.3。

对比例1-1：

制备ZTC4材质的实施例1的铸件，铸件的直径为Φ238mm，高度52mm，生产数量1件，采用机加工石墨型铸造的工艺方法。

（1）石墨铸型的加工，石墨型分为4块，分别加工4块石墨型。

（2）石墨除气：4块石墨型加工完毕后，在真空除气炉中进行石墨除气。

（3）组型：将4块石墨型按照工艺要求进行组型，组型时使用螺栓将4块石墨型紧固紧实。

（4）浇注：将组型后的石墨型放入真空炉进行浇注，采用静止浇注方式。

(5)后处理：铸件浇注完毕后进行清理石墨型芯、去除浇道、表面流痕冷隔缺陷的修整、热等静压、探伤、探伤缺陷的处理、复探、荧光，获得了符合GJB2896A-2007 B级要求的钛合金铸件，产品如图3所示，表面粗糙度达到了Ra12.5。

对比例1-1采用的是机加工石墨型，工艺流程为石墨型的生产工艺，由于石墨型设计、加工、组装及除气等工序时间长，且铸件内部掉渣、外部流痕及冷割等缺陷多，返修量大、返修时间长，石墨价格昂贵且用量大，相比对比例1-1，实施例1的钛铸件生产周期缩短18%以上，生产成本降低45%，且表面粗糙度由Ra12.5提高到Ra6.3，表面质量和粗糙度大幅提升。

对比例1-2：

制备ZTC4材质的实施例1的铸件，铸件的直径为Φ238mm，高度52mm，生产数量1件，采用熔模精密铸造的工艺方法。

(1)模样制备：制作射蜡金属模具，利用模具制作蜡模1件，浇注系统蜡模1件。

(2)表面处理：将蜡模放入清洗池中清洗。蜡模清洗后使用温水冲洗干净，蜡模冲洗后使用风扇自然吹干。蜡模吹干后，组焊蜡模模样与浇注系统，获得蜡模模组。

(3)型壳制备：

第一步，制作面层，面层材料采用中性胶、氧化钇粉、锆砂，其中面层粘度值为25S。

第二步，制作加固层，加固层制壳层数为8层，型壳干燥后制得模组型壳。

第三步，型壳脱蜡，型壳制备完毕后进行蒸汽脱蜡。

第四步，模壳焙烧，脱蜡后模壳焙烧，焙烧工艺为升温至1100℃，开始保温6h。

第五步，水洗模壳并烘干，模组焙烧后降温至60℃时，使用温水水洗模壳，模壳水洗后在烘干炉烘干，获得用于浇注的型壳。

(4)铸件浇铸：采用真空自耗炉进行浇注，采用静止浇注。

(5)后处理：铸件浇注完毕后进行清壳、去除浇道、修整、热等静压、探伤、荧光工艺，最后获得合格的钛合金铸件，内部探伤质量符合标准GJB2896A-2007 B级，表面粗糙度Ra6.3。

对比例1-2中模样采用的是制作金属模具生产蜡模，与对比例1-2相比，实施例1减少了金属模具的制作工序，而金属模具设计、制作、检验流程复杂，且成本高，相比对比例1-2，实施例1的生产周期降低60%，生产成本降低75%，但实施例1所生产出来的铸件质量与对比例1-2所生产出的钛合金铸件质量相当。

实施例2：

制备ZTC4材质的钛合金铸件，如图4所示，铸件的尺寸为104×70×34(mm)，平均壁厚12mm，生产数量5件。

一种钛合金铸件的制备方法，包括以下步骤：

(1)模组制备：采用可机加工材料，例如蜡，根据待生产铸件图纸，直接机加工出直接加工出钛合金铸件模样5件、浇注系统模样1件，模样加工完毕后，使用粘结剂将铸件与浇注系统模样进行组合，获得模组。

(2)表面处理：将模组在清洗剂中进行清洗后进行风干，获得表面洁净的模组；将低温蜡置于蜡缸中，蜡温升至50-90℃使低温蜡融化，加入10%-30%的硬脂酸混合均匀，以调整蜡液的流动性，改善浸蜡层厚度、表面粗糙度及质量；然后将模组放入蜡缸浸蜡，浸蜡完成后，使用热风机轻吹表面，获得表面覆盖蜡层的模组。

(3)型壳制备：

第一步：面层的制作，将氧化钇粉、消泡剂加入中性胶中进行搅拌配制面层浆料，面层浆料的粘度值为33-38S，本实施例为35S；面层涂料配制完毕后，将表面覆盖蜡层的模组浸入面层浆料，浸浆后在模组上撒砂。

第二步：加固层的制作，将莫来粉加入硅溶胶中配制加固层浆料，将第一步得到的模组浸入加固层浆料中，然后撒砂，该撒砂与第一步中的撒砂所用的砂均可采用氧化锆，待干燥后可重复多道次加固层的制作过程，获得具有多层加固层的模组，加固层可制备8-10层，在本实施例中加固层共有10层，每重复一次加固层的制备过程即可增加一层加固层，即本实施例共进行了10道次的加固层制作过程，其中，第一道次和第二道次制作加固层的过程中，加固层浆料的粘度值控制在21-27S，本实施例为25S，剩余道次中，加固层浆料的粘度值控制在13-20S，本实施例为17S。

第三步：焙烧，待第二步加固层干燥后，将带有面层和加固层的模组在焙烧炉中焙烧，为防止模组烧失时型壳裂，焙烧工艺实施阶梯式焙烧工艺，先将型壳升温至第一阶梯温度300-400℃，焙烧炉通风，保温0.5-1h，然后再升温至第二阶梯温度1000-1100℃，保温5-6h，随后冷却至室温得到模壳，通常冷却至60℃以下即可，本实施例具体实施时第一阶梯温度为400℃，保温0.5h，第二阶梯温度为1100℃，保温6h。

第四步：水洗模壳并烘干，将却至60℃以下的模壳使用温水冲洗，并在焙烧炉中烘干模壳，获得用于浇注的型壳。

(4)铸件浇铸：采用真空自耗炉向步骤（3）获得的型壳内浇注钛合金溶液完成钛合金铸件的浇注。

(5)后处理：铸件浇注完毕后进行清壳、去除浇道、修整、热等静压、探伤、荧光等工序，获得钛合金铸件产品，5件钛合金铸件产品的外观粗糙度均达到Ra6.3，内部探伤一次探伤合格，一次探伤质量达到了GJB2896A-2007 B级的标准。

对比例2-1：

制备ZTC4材质的实施例2的铸件，铸件的尺寸为104x70x34(mm)，平均壁厚12mm，采用机加工石墨型铸造的工艺方法，生产数量5件。

（1）石墨铸型的加工，石墨型分为6块，分别加工6块石墨型。

（2）石墨除气：6块石墨型加工完毕后，在真空除气炉中进行石墨除气，石墨除气的时间为24h。

（3）组型：将6块石墨型按照工艺要求进行组型，组型时使用螺栓将6块石墨型紧固紧实。

（4）浇注：将组型后的石墨型放入真空炉进行浇注，采用静止浇注方式。

(5)后处理：铸件浇注完毕后进行清理石墨型芯、去除浇道、表面流痕冷隔缺陷的修整、热等静压、探伤、探伤缺陷的处理、复探、荧光，获得了符合GJB2896A-2007 B级要求，表面粗糙度达到了Ra12.5。

对比例2-1采用的是机加工石墨型，工艺流程为石墨型的生产工艺，由于石墨型设计、加工、组装及除气等工序时间长，且铸件内部掉渣、外部流痕及冷割等缺陷多，返修量大、返修时间长，石墨价格昂贵且用量大，相比对比例2-1，实施例2钛铸件生产周期缩短20%以上，生产成本降低25%，且表面粗糙度由Ra12.5提高到Ra6.3，表面质量和粗糙度大幅提升。

对比例2-2：

制备ZTC4材质的实施例2的铸件，铸件的尺寸为104x70x34(mm)，平均壁厚12mm，熔模精密铸造的工艺方法，生产数量5件。

(1)模样制备：制作射蜡金属模具，利用模具制作蜡模5件，浇注系统蜡模1件。

(2)表面处理：将蜡模放入清洗池中清洗。蜡模清洗后使用温水冲洗干净，蜡模冲洗后使用风扇自然吹干。蜡模吹干后，组焊蜡模模样与浇注系统，获得蜡模模组。

(3)型壳制备：

第一步，制作面层，面层材料采用中性胶、氧化钇粉、锆砂，其中面层粘度值为22S。

第二步，制作加固层，加固层制壳层数为8层，型壳干燥后制得模组型壳。

第三步，型壳脱蜡，型壳制备完毕后进行蒸汽脱蜡。

第四步，模壳焙烧，脱蜡后模壳焙烧，焙烧工艺为升温至1100℃，开始保温6h。

第五步，水洗模壳并烘干，模组焙烧后降温至60℃时，使用温水水洗模壳，模壳水洗后在烘干炉烘干，获得用于浇注的型壳。

(4)铸件浇铸：采用真空自耗炉进行浇注，采用静止浇注。

(5)后处理：铸件浇注完毕后进行清壳、去除浇道、修整、热等静压、探伤、荧光工艺，最后获得合格的钛合金铸件，内部探伤质量符合标准GJB2896A-2007 B级，表面粗糙度Ra6.3。

对比例2-2中模样采用的是制作金属模具生产蜡模，与对比例21-2相比，实施例2减少了金属模具的制作工序，而金属模具设计、制作、检验流程复杂，且成本高，相比对比例2-2，实施例2的生产周期降低45%，生产成本降低35%，但实施例2所生产出来的铸件质量与对比例2-2所生产出的钛合金铸件质量相当。

需要说明的是，上述实施例仅用来说明本发明，但本发明并不局限于上述实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钛合金铸件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）模组制备：直接机加工制备出与铸件相适配的铸件模样及浇注系统模样，组合获得模组；

（2）表面处理：将模组清洗后浸蜡以降低步骤（1）中机加工所产生的粗糙度，获得表面覆盖蜡层的模组；

（3）型壳制备：对步骤（2）获得的模组依次制作面层和加固层，经焙烧后水洗、烘干获得用于浇注的型壳；

（4）浇注成型：向步骤（3）获得的型壳内浇注钛合金溶液，经脱壳处理后制得钛合金铸件。

2.如权利要求1所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，步骤（1）中使用粘结剂将铸件模样与浇注系模样进行组合。

3.如权利要求1所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，步骤（2）表面处理的具体过程为：将模组采用清洗剂清洗后风干备用，将低温蜡升温至50-90℃，加入10%-30%重量百分比的硬脂酸混合均匀，将风干备用的模组浸蜡后用热风机轻吹表面即得表面覆盖蜡层的模组。

4.如权利要求1所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，步骤（3）中面层的制作过程为：将氧化钇粉、消泡剂加入中性胶中进行搅拌配制得到面层浆料，将步骤（2）获得的模组浸面层浆料后撒砂制得具有面层的模组。

5.如权利要求4所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，所述面层浆料的粘度值为33-38S。

6.如权利要求1所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，步骤（3）中加固层的制作过程为：将莫来粉加入硅溶胶中配制得到加固层浆料，将制作有面层的模组浸加固层浆料后撒砂制得具有加固层的模组。

7.如权利要求6所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，重复多道次所述加固层的制作过程获得具有多层加固层的模组。

8.如权利要求7所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，第一道次和第二道次的加固层制作过程中，加固层浆料的粘度值为21-27S，剩余道次的加固层制作过程中，加固层浆料的粘度值为13-20S。

9.如权利要求1所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，步骤（3）中焙烧的具体过程为：先将模组升温至300-400℃，通风并保温0.5-1h，再升温至1000-1100℃，保温5-6h，最后冷却至室温。

10.如权利要求1所述的一种钛合金铸件的制备工艺方法，其特征在于，步骤（4）中采用真空自耗炉进行浇注。

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