CN115921822B - 一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金铸造技术领域，具体涉及一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法。该方法通过切削得到石墨套管铸型并外裹覆冷冻砂型，得到石墨套管冷冻砂型，在密闭环境下通入保护气，通过密闭式排气系统使铸型处于负压环境中，室温下完成浇注获得最终钛合金铸件。冷冻砂型具有优异的蓄热性能，石墨套管具有优异的导热性能和较高的化学稳定性，该方法利用复合铸型良好的蓄热、导热性能，较大的温度梯度，同时引导砂型中水蒸气向外排出，有利于制备组织致密、成本较低、综合性能优良的钛合金铸件，对于钛合金产品的应用与推广，具有非常重要的意义。

Description

一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法

技术领域

本发明属于钛合金铸造技术领域，具体涉及一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法。

背景技术

钛合金密度低、比强度高，抗腐蚀性能好，生物兼容性良好，具有优良的高温以及低温性能等优点，已经广泛用于航空航天、生物医疗、船舶汽车等领域。

众多钛合金成型方法中，钛合金铸造可成形多种形状，且周期较短。钛合金铸造主要有两个难点，一是铸型应具备良好的强度和较低的膨胀系数，防止铸造过程铸型开裂；二是铸型应具备较高的化学惰性，防止与熔融钛合金发生反应。目前，国内外普遍采用的钛合金铸造方法主要有三种：机加工石墨型铸造、金属型铸造和熔模精密铸造。但采取上述传统方法，易产生如下问题：(1)传统单材质石墨型激冷能力强而退让性较差，易导致铸件表面产生裂纹、冷隔、流痕等缺陷，影响铸件质量。同时环境保护限制了石墨材料的使用，导致石墨材料成本上升。(2)金属型铸造模具使用寿命较短，同时激冷能力也较强，也会在铸件表面产生冷隔、流痕等缺陷。(3)熔模精密铸造成本高昂，且难以制备一些大型复杂零件。

上述三种铸造方法铸型制作工艺繁琐，周期长、成本高，铸件产品性能一般，一定程度上限制了钛合金铸件的应用和推广，亟待开发出一种新型的钛合金铸造工艺，降低铸造成本、提高铸件性能。

冷冻砂型作为一种绿色环保的铸造砂型，目前还没有在钛合金铸造领域得到应用，因为熔融的钛合金极易与水发生反应。CN114850400A一种基于冷冻复合铸型的快速铸造方法提出了采用树脂砂和冷冻砂两种材质的型砂颗粒构成复合铸型，实现了铝合金、铸铁等材料的快速铸造，起到大幅度减少了树脂固化剂使用量、环保绿色的效果。虽然树脂砂与冷冻砂结合的方式尚无法解决与熔融钛合金反应的难题，无法实现钛合金铸造，但其复合砂型的构想为本发明实现钛合金铸造提供了思路，通过改变传统铸型的单一材质，对传统机加工石墨型进行改进，本发明设计了一种石墨套管与冷冻砂型相结合的石墨套管冷冻砂型，利用石墨材料的优良特性，并根据钛合金铸造的特性设计了相应的封闭式排气系统与浇注环境，充分利用石墨套管冷冻砂型组合起来产生的优良导热、蓄热性能，实现用钛合金的快速铸造，铸件质量相比传统机加工石墨型得到明显改善。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法。通过切削得到石墨套管薄壳铸型并外裹覆冷冻砂型，得到石墨套管冷冻砂型，综合利用石墨型优良的导热性能以及冷冻砂型优良的蓄热性能，浇注获得组织致密、缺陷较少、综合性能优良的钛合金铸件。

为实现上述目的，本发明提出了一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，是按以下步骤进行：

步骤一：根据铸件CAD模型反求铸型，将加工程序输入切削设备，切削加工块状电极石墨得到石墨套管型壳；

步骤二：将石墨套管置于砂箱中，型砂颗粒与水混合均匀，并裹覆在石墨套管外侧，置于冷冻环境下进行固化成型；

步骤三：在石墨套管与型砂颗粒结合部位填入粘结材料，得到石墨套管冷冻砂型；

步骤四：将石墨套管冷冻砂型置于密封罩中，将石墨套管的冒口与封闭式排气系统相接，并对整体环境通惰性气体氛围保护；

步骤五：打开封闭式排气系统，使石墨套管冷冻砂型处于负压环境中，并在室温环境下进行浇注，工作状态下的排气系统抽取逸出气体；

步骤六：待钛合金金属液完全凝固成形后，关闭封闭式排气系统，冷冻砂型自行溃散，收集废砂重复利用，破碎石墨套管型壳，得到所需铸件。

作为本方案的进一步地设计，所述石墨套管的厚度为1～30mm。

作为本方案的进一步地设计，所述型砂可采用石墨砂、锆英砂、氧化钇砂的一种或多种。

作为本方案的进一步地设计，所述水的质量分数为4～8％。

作为本方案的进一步地设计，所述冷冻环境温度为-40～0℃。

作为本方案的进一步地设计，所述冷冻砂型的裹覆方式可以是分别切削加工出石墨套管和冷冻砂型，再装配起来得到石墨套管冷冻砂型，也可以是先制备石墨套管，后利用石墨型作为型芯制备石墨套管冷冻砂型。

作为本方案的进一步地设计，所述粘结材料可以是纯水、黏土、石膏浆料或石墨型涂料等。

作为本方案的进一步地设计，在制备一些大型复杂零件时，可采用分区模块化加工，得到石墨套管单元和冷冻砂型单元，后经装配进行浇注。

作为本方案的进一步地设计，所述惰性气体可采用氩气或氖气。

作为本方案的进一步地设计，所述负压值保持在-40～-20KPa。

本发明提供了一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法。与现有技术相比具备以下有益效果：

1、本发明采用了石墨型做薄壁内壳、冷冻砂型裹覆的铸型，其中、石墨型具备优良的导热性能，冷冻砂型具备优良的蓄热性能，在石墨套管冷冻砂型优良导热、蓄热性能的协同影响下，有效提升了铸型的性能。

2、本发明采用外裹覆的冷冻砂型的热容较大，石墨套管冷冻砂型相比传统钛合金铸造应用广泛的机加工石墨型具有更好的传热效果，在钛合金浇注过程中获得更大的温度梯度，利于钛合金表面快速凝固成壳，获得更细小的钛合金晶粒组织，提高铸件表面质量,尺寸精度可达CT8级。

3、本发明采用真空浇注系统以及封闭式排气系统引导砂型中水蒸气向外排出，保持了石墨套管冷冻砂型界面良好的结合能力和传热效果，有效的防止了冷冻砂型溃散以及发气对铸造环境真空度的影响，确保了浇注过程中熔融钛合金不发生反应，有效改善了铸件质量。

本发明采用的冷冻砂型绿色环保无污染，充型过程过冷度大，铸件组织细小致密，有良好的综合性能，浇注完成后，冷冻砂型自行溃散，便于回收再利用。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明实施例提供一种技术方案：一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：根据铸件CAD模型反求铸型，将加工程序输入切削设备，切削加工块状电极石墨得到石墨套管型壳；

步骤二：将石墨套管置于砂箱中，型砂颗粒与水混合均匀，并裹覆在石墨套管外侧，置于冷冻环境下进行固化成型；

步骤三：在石墨套管与型砂颗粒结合部位填入粘结材料，得到石墨套管冷冻砂型；

步骤四：将石墨套管冷冻砂型置于密封罩中，将石墨套管的冒口与封闭式排气系统相接，并对整体环境通惰性气体氛围保护；

步骤五：打开封闭式排气系统，使石墨套管冷冻砂型处于负压环境中，并在室温环境下进行浇注，工作状态下的排气系统抽取逸出气体；

步骤六：待钛合金金属液完全凝固成形后，关闭封闭式排气系统，冷冻砂型自行溃散，收集废砂重复利用，破碎石墨套管型壳，得到所需铸件。

所述石墨套管的厚度为1～30mm。所述型砂可采用石墨砂、锆英砂、氧化钇砂的一种或多种。所述水的质量分数为4～8％。所述冷冻环境温度为-40～0℃。所述冷冻砂型的裹覆方式可以是分别切削加工出石墨套管和冷冻砂型，再装配起来得到石墨套管冷冻砂型，也可以是先制备石墨套管，后利用石墨型作为型芯制备石墨套管冷冻砂型。所述粘结材料可以是纯水、黏土、石膏浆料或石墨型涂料等。在制备一些大型复杂零件时，可采用分区模块化加工，得到石墨套管单元和冷冻砂型单元，后经装配进行浇注。所述惰性气体可采用氩气或氖气。所述负压值保持在-40～-20KPa。

具体实施案例：制备外形尺寸为570mm×528mm×220mm的ZTA2的钛合金泵体。

根据泵体CAD模型反求铸型，生成加工程序，输入无模铸造成型机，切削加工块状电极石墨，得到若干厚度为10mm的泵体石墨套管单元并装配，组成泵体的石墨套管型壳，置于砂箱中，填入含水量为4％混合均匀的锆英砂，置于-40℃的冷冻环境中，冷冻固化。在石墨套管和冷冻砂型的结合处加入纯水，将石墨套管冒口与封闭式排气系统相接，并将其置于密封罩中通入氩气。打开封闭式排气系统，使复合铸型处于负压环境中，负压值为-30KPa，在室温下完成浇注。待钛合金完全凝固成型后，关闭封闭式排气系统，冷冻砂型自行溃散，收集废砂重复利用，破碎石墨铸型，得到钛合金泵体铸件。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：根据铸件CAD模型反求铸型，将加工程序输入切削设备，切削加工块状电极石墨得到石墨套管型壳；

步骤二：将石墨套管置于砂箱中，型砂颗粒与水混合均匀，并裹覆在石墨套管外侧，置于冷冻环境下进行固化成型；

步骤三：在石墨套管与型砂颗粒结合部位填入粘结材料，得到石墨套管冷冻砂型;

步骤四：将石墨套管冷冻砂型置于密封罩中，将石墨套管的冒口与封闭式排气系统相接，并对整体环境通惰性气体氛围保护；

步骤五：打开封闭式排气系统，使石墨套管冷冻砂型处于负压环境中，并在室温环境下进行浇注，工作状态下的排气系统抽取逸出气体；

步骤六：待钛合金金属液完全凝固成形后，关闭封闭式排气系统，冷冻砂型自行溃散，收集废砂重复利用，破碎石墨套管型壳，得到所需铸件。

2.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述石墨套管的厚度为1～30mm。

3.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述型砂采用石墨砂、锆英砂、氧化钇砂的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述水的质量分数为4～8％。

5.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述冷冻环境温度为-40~0℃。

6.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述冷冻砂型的裹覆方式采用分别切削加工出石墨套管和冷冻砂型，再装配起来得到石墨套管冷冻砂型，或采用先制备石墨套管，后利用石墨型作为型芯制备石墨套管冷冻砂型。

7.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述粘结材料采用纯水、黏土、石膏浆料或石墨型涂料。

8.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，在制备一些大型复杂零件时，可采用分区模块化加工，得到石墨套管单元和冷冻砂型单元，后经装配进行浇注。

9.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述惰性气体采用氩气或氖气。

10.根据权利要求1所述的一种石墨套管的冷冻砂型绿色铸造钛合金构件成形方法，其特征在于，所述负压环境的负压值保持在-40～-20KPa。