CN117680619B - 一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法及万向节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法及万向节，所述铸造方法包括：步骤S1：模壳制备；步骤S2：模壳加热，保温；步骤S3：浇注；步骤S4：清壳，获得结构件铸件；步骤S5：探伤；步骤S6：热处理；其中，在模壳上设置有冒口和浇道，且在冒口与浇道之间设置有冒口补缩浇道，结构件铸件中各成分质量百分比为：Al：6.2~6.6%、V：4.0~4.3%、O：0.18~0.20%、Y：0.15~0.20%、C≤0.10%、N≤0.05%、H≤0.015%、Fe≤0.40%，余量为Ti。本发明通过合金成分的控制，保证了铸造生产的结构件的力学性能能够满足万向节的使用需求；再通过冒口补缩浇道与浇道连接的设置，有效地解决了铸造生产万向节结构件时，结构件上凸耳与本体连接位置容易出现内部缩孔的问题，保证了铸件的结构强度。

Description

一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法及万向节

技术领域

本发明涉及深海通信设备技术领域，具体而言，涉及一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法及万向节。

背景技术

海洋光通信网络是基于海底光缆为传输载体进行信息通信的光通信网络，是海洋信息网络的重要组成部分。海洋光通信网络目前承载了全球95%以上的国际间通信信息的传输，是全球通信重要的信息载体和基础网络，随着国际间信息交互的越发频繁以及数据流量的爆发式增长，海洋光通信网络所起到的重要作用愈发突显。

海洋光通信网络主要应用于国际跨洋的海底光缆通信、陆地与近海岛屿以及海洋岛屿间的海底光缆通信等场景。其中，国际跨洋海底光缆通信传输距离可达数千甚至上万公里，陆地与近海岛屿及海洋岛屿间的海底光缆通信传输距离也达到数百公里。在超长距离水下传输过程中信号会随着传输距离而衰减，因此每隔一定的公里数需要使用海底光缆信号放大器对传输过程中的信号通过复用、放大、整形、补偿等一系列方式进行放大。

由于海底光缆信号放大器的工作环境较为恶劣，需要加强的铠甲外壳防护，外壳需要耐受海水腐蚀，承受海底的压力以及自然灾害（地震、海啸等）、人为因素（渔民打捞作业等）的重重考验，且使用寿命要达到25年以上，而这个保护铠甲就是钛合金万向节。

根据深海水下的服役工况，深海通信用钛合金万向节应用于深海高压、腐蚀等恶劣环境下，需要具备高强度、耐腐蚀、耐压等综合优异性能。现有技术中，钛合金万向节全部的结构件均是通过锻造、机加工、表面处理等环节生产，生产工艺复杂且生产成本较高。

现有技术中，国内外均采用锻件全加工的方案进行深海通信用钛合金万向节的生产，并未有任何采用铸造工艺实现钛合金万向节结构件生产的信息，且本领域内通常认为深海通信用钛合金万向节无法通过铸造生产，主要原因在于，铸造工艺在生产钛合金万向节结构件时面临较大的困难：首先，铸造工艺在生产过程中产生的缺陷需要在后续进行修磨和补焊，在此过程中会对钛合金材料造成一定的损伤，导致材料力学性能下降；其次，钛合金材料的铸造工艺相对复杂，生产过程中容易出现缺陷，需要严格的质量控制手段，而采用常用的铸造工艺生产的万向节结构件中通常在关键部位存在无法消除的缩孔，导致结构件的力学性能无法满足要求，为了弥补铸造缺陷进行的补焊也会对万向节铸件力学性能产生不利影响，使得万向节达不到高强度的使用需求；最后，铸造件的力学性能往往低于同材质的锻造件，采用现有的钛合金成分铸造生产的万向节结构件的力学性能无法满足使用需求。

发明内容

本发明解决的问题是，现有技术中，采用铸造的方式生产万向节结构件会导致结构件中的关键部位出现无法消除的缩孔缺陷，导致铸造生产的万向节结构件无法满足使用需求，此外，采用现有的钛合金成分生产的铸件的力学性能也无法满足深海通信用钛合金万向节的使用需求。

本发明公开了一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法，所述结构件包括首环、中间外环和尾环，所述铸造方法包括：

步骤S1：使用钛合金氧化钇涂料作为面层进行蜡模模壳的制备，制壳厚度8-12mm；

步骤S2：将模壳放置在加热炉中，在炉温升至1000~1100℃后保温5-7h；

步骤S3：采用真空自耗凝壳炉进行钛合金的熔炼以及对模壳的浇注，浇注完成25s~35s后通入预设压强的氩气，然后冷却25~35min后出炉；

步骤S4：对浇铸件进行清壳、切割、磨浇道、修外观，获得结构件铸件；

步骤S5：对步骤S4获得的结构件铸件进行探伤；

步骤S6：对步骤S5中探伤合格的结构件铸件进行热处理；

其中，步骤S1中制备的模壳包括首环浇注模壳和/或中间外环浇注模壳和/或尾环浇注模壳，在首环浇注模壳和/或中间外环浇注模壳和/或尾环浇注模壳上均设置有冒口和浇道，且在各自的冒口与浇道之间均设置有冒口补缩浇道；所述冒口补缩浇道用于在浇注过程中通过冒口同步向浇注模壳内输送金属液；所述结构件铸件中各成分质量百分比为：Al：6.2~6.6%、V：4.0~4.3%、O：0.18~0.20%、Y：0.15~0.20%、C≤0.10%、N≤0.05%、H≤0.015%、Fe≤0.40%，余量为Ti。

进一步的，在步骤S3中的预设压强为0.04-0.06MPa。

进一步的，步骤S6包括：

步骤S61：采用真空固溶炉将结构件铸件加热至500℃，保温1.5h；

步骤S62：将结构件铸件升温至850±10℃，保温1h；

步骤S63：保温结束后，关闭真空固溶炉，并向真空固溶炉内充入1.05Bar的氩气，使结构件铸件随炉冷却。

进一步的，步骤S6还包括：

步骤S64：当炉温低于200℃，打开炉门放气冷却；

步骤S65：当炉温低于40℃时出炉。

进一步的，在步骤S3中，通过主浇道进行结构件的浇注，在所述主浇道的周向上设置有若干第一分浇道和/或若干第二分浇道和/或若干第三分浇道，每个第一分浇道与一个首环浇注模壳连接，每一个第二分浇道与一个中间外环浇注模壳连接，每一个第三分浇道与一个尾环浇注模壳连接。

进一步的，所述首环浇注模壳包括首环本体型腔和首环凸耳型腔，所述首环凸耳型腔有两个，两个的所述首环凸耳型腔同时设置在首环本体型腔的左1侧或右1侧，且两个的所述首环凸耳型腔设置在同一水平高度上，在所述首环浇注模壳上设置有首环凸耳浇道和首环本体浇道，所述首环凸耳浇道一端与首环凸耳型腔连接，另一端与第一分浇道连接，所述首环本体浇道一端与所述首环本体型腔连接，另一端与第一分浇道连接，所述首环本体浇道设置在远离首环凸耳型腔的一侧，所述首环本体浇道有一个以上，在所述首环浇注模壳顶端设置有首环冒口，所述首环冒口设置在首环型腔中间段外周的中心位置。

进一步的，所述中间外环浇注模壳包括中间外环本体型腔和中间外环凸耳型腔，所述中间外环凸耳型腔有四个，四个的所述中间外环凸耳型腔两两相对地设置在中间外环本体型腔的左2侧和右2侧，且四个的所述中间外环凸耳型腔设置在同一水平高度上，在所述中间外环浇注模壳上设置有中间外环凸耳浇道和中间外环本体浇道，所述中间外环凸耳浇道的一端与中间外环凸耳型腔连接，另一端与第二分浇道连接，所述中间外环本体浇道的一端与所述中间外环本体型腔连接，另一端与第二分浇道连接，且所述中间外环本体浇道设置在所述中间外环本体型腔的左2侧或右2侧，所述中间外环本体浇道有一个以上，在所述中间外环浇注模壳上设置有中间外环冒口，所述中间外环冒口有两个，所述中间外环冒口设置在中间外环型腔中间段的外周上，且中间外环冒口与上2下2形成的垂向存在一定的夹角，两个的所述中间外环冒口以上2下2形成的垂向为对称轴对称设置。

进一步的，所述尾环浇注模壳包括尾环本体型腔和尾环凸耳型腔，所述尾环凸耳型腔有两个，两个的所述尾环凸耳型腔同时设置在尾环本体型腔的左3侧或右3侧，且两个的所述尾环凸耳型腔设置在同一水平高度上，在所述尾环浇注模壳上设置有尾环凸耳浇道和尾环本体浇道，所述尾环凸耳浇道的一端与尾环凸耳型腔连接，另一端与第三分浇道连接，所述尾环本体浇道的一端与所述尾环本体型腔连接，另一端与第三分浇道连接，且所述尾环本体浇道设置在尾环凸耳型腔的同一侧，所述尾环本体浇道有一个以上，在所述尾环浇注模壳顶端设置有尾环冒口，所述尾环冒口设置在尾环型腔中间段的外周的中心位置。

本发明还公开了一种深海通信用钛合金万向节，所述万向节包括首环、中间外环、尾环和中间环，所述首环、中间外环、尾环分别通过销钉与所述中间环连接以形成万向节，其中，首环、中间外环和尾环中的至少一个采用如上所述的铸造方法生产。

相对于现有技术，本发明所述的深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法及万向节具有以下优势：

1.通过结构件的铸造生产，简化了万向节中结构件的生产工艺，降低了生产成本；

2.通过冒口补缩浇道与浇道连接的技术方案的设置，在铸件浇注生产过程中，通过冒口同步向浇注模壳内输送金属液，有效地解决了首环、尾环、中间外环上凸耳与主体连接位置容易出现内部缩孔的问题，保证了铸件的结构强度，使其能够满足深海通信万向节的力学性能要求；

3.通过合金元素的成分控制，制备出了适用于钛合金万向节结构件的铸件材料，克服了现有的钛合金成分铸造生产的万向节结构件的力学性能无法满足使用需求的技术难题；

4.本发明提供的铸造方法简单且易于操作，能够提高铸件的结构强度，使其满足钛合金万向节性能要求的同时，显著降低了钛合金万向节的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例所述的钛合金万向节的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所述的钛合金万向节从尾环方向的视图；

图3为图2中A-A部位的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例所述的首环、中间环、中间外环及尾环的爆炸结构示意图；

图5为本发明实施例所述的首环浇注模壳的立体结构示意图；

图6为本发明实施例所述的首环浇注模壳另一角度的立体结构示意图；

图7为本发明实施例所述的中间外环浇注模壳的立体结构示意图；

图8为本发明实施例所述的中间外环浇注模壳另一角度的立体结构示意图；

图9为本发明实施例所述的尾环浇注模壳的立体结构示意图；

图10为本发明实施例所述的尾环浇注模壳另一角度的立体结构示意图。

附图标记说明：

100、首环；110、首环凸耳；120、首环本体；200、中间外环；210、中间外环凸耳；220、中间外环本体；300、尾环；310、尾环凸耳；320、尾环本体；400、中间环；500、销钉；600、首环浇注模壳；610、首环本体型腔；611、首环型腔中间段；620、首环凸耳型腔；630、首环凸耳浇道；640、首环本体浇道；650、首环冒口；660、首环冒口补缩浇道；700、中间外环浇注模壳；710、中间外环本体型腔；711、中间外环型腔中间段；720、中间外环凸耳型腔；730、中间外环凸耳浇道；740、中间外环本体浇道；750、中间外环冒口；760、中间外环冒口补缩浇道；800、尾环浇注模壳；810、尾环本体型腔；811、尾环型腔中间段；820、尾环凸耳型腔；830、尾环凸耳浇道；840、尾环本体浇道；850、尾环冒口；860、尾环冒口补缩浇道；900、主浇道；910、第一分浇道；920、第二分浇道；930、第三分浇道。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图具体描述本发明实施例的一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法及万向节。

实施例1

本实施例提供一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法，如图1-图4所示，所述万向节包括首环100、中间外环200、尾环300和中间环400，所述首环100、中间外环200、尾环300分别与所述中间环400连接以形成万向节，所述结构件包括首环100、中间外环200、尾环300，所述铸造方法包括：

步骤S1：使用钛合金氧化钇涂料作为面层进行蜡模模壳的制备，制壳厚度8-12mm；

步骤S2：将模壳放置在加热炉中，在炉温升至1000~1100℃后保温5-7h；

步骤S3：采用真空自耗凝壳炉进行钛合金的熔炼以及对模壳的浇注，浇注完成25s~35s后通入预设压强的氩气，然后冷却25~35min后出炉；

步骤S4：对浇铸件进行清壳、切割、磨浇道、修外观，获得结构件铸件；

步骤S5：对步骤S4获得的结构件铸件进行探伤；

步骤S6：对步骤S5中探伤合格的结构件铸件进行热处理；

其中，步骤S1中制备的模壳包括首环浇注模壳600和/或中间外环浇注模壳700和/或尾环浇注模壳800，在首环浇注模壳600和/或中间外环浇注模壳700和/或尾环浇注模壳800上均设置有冒口和浇道，且在各自的冒口与浇道之间均设置有冒口补缩浇道。

现有技术中，上述结构件通常采用锻造与机加工的方式生产，以保证其能够满足万向节使用环境的要求，该生产工艺较为复杂，生产成本也较高。在生产过程中，也有部分研究人员尝试用铸造的方式生产深海通信用钛合金万向节的结构件，但由于铸造过程中产生的缺陷较多，没有有效的技术手段克服上述缺陷，导致本领域的技术人员认为无法通过铸造方式来生产深海光通信用万向节结构件，本申请的研究人员研究发现，上述结构件铸造时的缺陷主要为缩孔，其形成部位通常靠近首环100、中间外环200、尾环300等结构件的本体与凸耳连接的位置，该位置通常也是结构件受力的关键部位，由于上述缺陷的存在，使得采用铸造的方式生产的万向节结构件始终无法满足深海通信的使用要求。在本实施例中，在冒口与浇道之间设置冒口补缩浇道，冒口补缩浇道用于在铸件浇注生产过程中，通过冒口同步向浇注模壳内输送金属液，在此情况下，延缓了冒口附近金属液的凝固速度，缩孔类缺陷的形成位置意外地从本体与凸耳的连接位置整体转移至冒口中，而冒口在后续机加工过程中需要去除，不会对结构件的力学性能造成不利影响，从而使得采用铸造的方式生产钛合金万向节结构件成为可能，通过铸件直接生产万向节结构件，节省了其中的锻造环节，还节省了部分的机加工环节，相比现有技术简化了生产工艺，降低了生产成本。所述钛合金氧化钇涂料为现有技术中的材料，所述真空自耗凝壳炉可选用150KG炉型，在此不再加以限定。优选的，步骤S1中的模壳厚度为10mm；步骤S2中炉温升至1000℃后保温6h；步骤S3中浇注完成30s后通入预设压强的氩气，冷却30min后出炉。

其中，所述结构件铸件中各成分质量百分比为：Al：6.2~6.6%、V：4.0~4.3%、O：0.18~0.20%、Y：0.15~0.20%、C≤0.10%、N≤0.05%、H≤0.015%、Fe≤0.40%，余量为Ti。钛合金万向节需要满足的极限拉力为550KN，并保持10min以上，为了满足上述要求，钛合金万向节结构件本体材质的力学性能需要满足表1的要求。现有技术中，通过铸件生产的钛合金万向节除了铸造缺陷的限制以外，其铸造本体力学性能不达标也是限制钛合金万向节整体强度的一个原因。在本实施例中，通过合金元素的精准控制，制备出了适用于钛合金万向节结构件的铸件材料，当合金元素在上述范围内时，采用上述钛合金生产的铸件本体的力学性能见表2，可见，本实施例提供的铸件本体的屈服强度可高于标准8%以上，延伸率高于标准25%以上，使得采用上述钛合金铸件生产的万向节满足了极限拉力的使用要求。尤其是，申请人的研发人员研究发现，O、Y的含量对铸件本体的性能影响较大，表3、表4分别提供了当O含量高于0.20%、Y含量高于0.20%时钛合金的合金成分，以及与其对应的铸件的力学性能，可见，当O含量高于0.20%、Y含量高于0.20%时，铸件本体的塑性将有大幅度下降；表5、表6分别提供了当O含量低于0.18%、Y含量低于0.15%时钛合金的合金成分，以及与其对应的铸件的力学性能，当O含量低于0.18%、Y含量低于0.15%时，铸件本体的强度将有大幅度下降，严重影响万向节成品的力学性能，导致其无法满足使用要求。申请人的研发人员研究发现：铸态的钛合金中，由于Y为表面活性元素，其能够使固液界面张力下降，从而降低形核功，提高形核数量，而且Y与O结合形成的氧化物熔点较高，在铸造过程中可以成为形核质点，提高形核数量，此外，Y与O结合形成的氧化物在高温时生成，早于β相形成，能够钉扎β晶界，阻碍钛合金的晶粒长大，通过上述作用，使得铸造生产的钛合金晶粒细小，显著提升了其整体的强塑性。当Y和O的含量过低时，Y的氧化物数量不足，晶粒细化效果不佳，导致铸件本体的强度不佳，当Y和O的含量过高时，Y的氧化物将在铸件的局部形成线状富集，导致铸件本体的塑性下降。上述钛合金成分具有独特性、精细性和严格性，能够实现钛合金万向节结构件的最佳抗拉强度与塑性的匹配，提高钛合金结构件的整体性能和寿命，降低生产成本，从而有效地促进海洋光通信网络的发展和应用。

表1 深海通信用万向节原料在室温下的力学性能标准

表2 实施例1提供的铸件在室温下的力学性能（热处理后）

表3 铸件中O、Y含量偏高时的合金成分

表4 表3中的铸件在室温下的力学性能（热处理后）

由此可见，当O、Y元素含量偏高时，铸件本体的力学性能中抗拉及屈服强度有明显提升，但塑性不足5%，断面收缩率不足12%，无法满足深海通信用钛合金万向节的使用需求。

表5 铸件中O、Y含量偏低时的合金成分

表6 表5中的铸件在室温下的力学性能（热处理后）

由此可见，当O、Y元素含量偏低时，其他元素含量变化不大时，铸件本体的力学性能中延伸率及断面收缩率有明显提升，但抗拉强度及屈服强度明显降低，无法满足深海通信用钛合金万向节的使用需求。

作为其中一个可选的实施例，步骤S3中的熔炼工艺为：起弧0-2000A，起弧后调至5000-7000A，再调节至25000A及以上，直至熔炼结束。

作为其中一个可选的实施例，在步骤S3中的预设压强为0.04-0.06MPa。通过浇注完成后氩气的输入，能够提高铸件的冷却效率，从而提高其生产效率。优选的，所述预设压强为0.05MPa。

具体的，在步骤S3中，通过主浇道900进行结构件的浇注，在所述主浇道900的周向上设置有若干第一分浇道910和/或若干第二分浇道920和/或若干第三分浇道930，每个第一分浇道910与一个首环浇注模壳600连接，每一个第二分浇道920与一个中间外环浇注模壳700连接，每一个第三分浇道930与一个尾环浇注模壳800连接。通过上述设置，可以在一次浇注过程中，同步浇注成型若干个结构件，从而显著地提升了浇注的效率，提升产品的生产效率。在其中的一个实施例中，沿所述主浇道900周向上设置有8个分浇道，8个分浇道可以是第一分浇道910、第二分浇道920、第三分浇道930中的任意一个或几个的组合，通过上述设置，能够一次性浇注成型8个深海通信用钛合金万向节结构件，显著地提升了产品的生产效率，降低了生产成本。

需要说明的是，在一个主浇道900的周向上可能同时设置有首环浇注模壳600、中间外环浇注模壳700和尾环浇注模壳800，此时，上述3种浇注模壳所对应的方向坐标系是不同的，为了便于说明其各自的结构，在本实施例中，针对首环浇注模壳600、中间外环浇注模壳700和尾环浇注模壳800各自设置与其对应的坐标系，如图5所示，其坐标系中的上1、下1、左1、右1、前1、后1用于表示首环浇注模壳600与主浇道900连接时所对应的方向；如图8所示，其坐标系中的上2、下2、左2、右2、前2、后2用于表示中间外环浇注模壳700与主浇道900连接时所对应的方向；如图10所示，其坐标系中的上3、下3、左3、右3、前3、后3用于表示尾环浇注模壳800与主浇道900连接时所对应的方向。

其中，如图5、图6所示，所述首环浇注模壳600包括首环本体型腔610和首环凸耳型腔620，所述首环凸耳型腔620有两个，两个的所述首环凸耳型腔620同时设置在首环本体型腔610的左1侧或右1侧，且两个的所述首环凸耳型腔620设置在同一水平高度上，在所述首环浇注模壳600上设置有首环凸耳浇道630和首环本体浇道640，所述首环凸耳浇道630一端与首环凸耳型腔620连接，另一端与第一分浇道910连接，所述首环本体浇道640一端与所述首环本体型腔610连接，另一端与第一分浇道910连接，所述第一分浇道910的上游端与主浇道900连接，所述首环本体浇道640设置在远离首环凸耳型腔620的一侧，所述首环本体浇道640有一个以上，在所述首环浇注模壳600顶端设置有首环冒口650，所述首环冒口650设置在首环型腔中间段611外周的中心位置。所述首环型腔中间段611是指，所述首环本体型腔610上用于将两个首环凸耳型腔620连接的圆弧段型腔，应当理解，所述首环型腔中间段611有两个，设置在上1下1两侧，所述首环冒口650设置在位于上1侧的首环型腔中间段611的中间位置。需要说明的是，所述首环浇注模壳600内部形成首环浇注腔，首环浇注腔包括相互连通的首环本体型腔610和首环凸耳型腔620，金属液通过首环凸耳浇道630和首环本体浇道640进入首环浇注腔内形成首环100。现有技术中，首环100铸件的缩孔缺陷通常位于首环凸耳110与首环本体120的连接部位，在本实施例中，将所述首环凸耳浇道630和首环本体浇道640分别设置在首环本体型腔610的左1右1两侧，能够实现首环浇注腔的快速充型，将内部缺陷集中在靠近首环冒口650的位置，有效地减少了铸件的缺陷，再通过首环冒口650与浇道之间冒口补缩浇道的设置，能够将铸造时产生的缩孔整体转移至首环冒口650内，由于首环冒口650内凝固的结构需要在后续的机加工中切除，因此，上述浇注系统的设置能够有效地避免在铸件本体内形成缩孔缺陷，显著提高了铸件质量，保证了其结构强度。

作为其中可选的实施例，如图5、图6所示，在所述首环冒口650上设置有首环冒口补缩浇道660，所述首环冒口补缩浇道660的一端与首环冒口650连接，另一端与首环本体浇道640或第一分浇道910连接。通过上述设置，能够将铸造时产生的缩孔缺陷整体转移至首环冒口650内，从而不影响铸件本体的性能，保证了其结构强度。

在本实施例中，如图5、图6所示，所述首环凸耳浇道630有两个，两个的所述首环凸耳浇道630分别连接一个首环凸耳型腔620，所述首环本体浇道640有四个，四个的所述首环本体浇道640分别连接首环本体型腔610上靠近上1侧、下1侧、前1侧、后1侧的位置。通过多浇道的配合设置，可以显著提高型腔的充型能力，减少铸造时的缺陷，提高铸件的力学性能。较佳的，所述首环冒口补缩浇道660的一端与首环冒口650连接，另一端与靠近首环本体型腔610上1侧的首环本体浇道640连接。

在本实施例中，如图7、图8所示，所述中间外环浇注模壳700包括中间外环本体型腔710和中间外环凸耳型腔720，所述中间外环凸耳型腔720有四个，四个的所述中间外环凸耳型腔720两两相对地设置在中间外环本体型腔710的左2侧和右2侧，且四个的所述中间外环凸耳型腔720设置在同一水平高度上，在所述中间外环浇注模壳700上设置有中间外环凸耳浇道730和中间外环本体浇道740，所述中间外环凸耳浇道730的一端与中间外环凸耳型腔720连接，另一端与第二分浇道920连接，所述第二分浇道920的上游端与主浇道900连接，所述中间外环本体浇道740的一端与所述中间外环本体型腔710连接，另一端与第二分浇道920连接，且所述中间外环本体浇道740设置在所述中间外环本体型腔710的左2侧或右2侧，所述中间外环本体浇道740有一个以上，在所述中间外环浇注模壳700上设置有中间外环冒口750，所述中间外环冒口750有两个，所述中间外环冒口750设置在中间外环型腔中间段711的外周上，且中间外环冒口750与上2下2形成的垂向存在一定的夹角，两个的所述中间外环冒口750以上2下2形成的垂向为对称轴对称设置。所述中间外环型腔中间段711是指，所述中间外环本体型腔710上用于将同侧的两个中间外环凸耳型腔720连接的圆弧段型腔，应当理解，所述中间外环型腔中间段711有两个，设置在上2下2两侧，所述中间外环冒口750设置在位于上2侧的中间外环型腔中间段711上。需要说明的是，所述中间外环浇注模壳700内部形成中间外环浇注腔，中间外环浇注腔包括相互连通的中间外环本体型腔710和中间外环凸耳型腔720，金属液通过中间外环凸耳浇道730和中间外环本体浇道740进入中间外环浇注腔内形成中间外环200。现有技术中，中间外环200铸件的缩孔缺陷通常位于中间外环凸耳210与中间外环本体220的连接部位，在本实施例中，将所述中间外环凸耳浇道730和中间外环本体浇道740设置在中间外环本体型腔710的侧面，能够实现中间外环浇注腔的快速充型，由于中间外环200上中间外环凸耳210较多，将中间外环冒口750与垂向呈一定角度的设置，便于将内部缺陷集中在靠近中间外环冒口750的位置，有效地减少了铸件的缺陷，再通过中间外环冒口750与浇道之间冒口补缩浇道的设置，能够将铸造时产生的缩孔整体转移至中间外环冒口750内，由于中间外环冒口750内凝固的结构需要在后续的机加工中切除，因此，上述浇注系统的设置能够有效地避免在铸件本体内形成缩孔缺陷，显著提高了铸件质量，保证了其结构强度。其中，所述夹角的取值范围在30°-60°，优选为45°。

作为其中可选的实施例，如图7、图8所示，在所述中间外环冒口750上设置有中间外环冒口补缩浇道760，所述中间外环冒口补缩浇道760有两个，每个所述中间外环冒口补缩浇道760的一端分别与一个中间外环冒口750连接，另一端分别与中间外环本体浇道740或第二分浇道920连接。通过上述设置，能够将铸造时产生的缩孔缺陷整体转移至中间外环冒口750内，从而不影响铸件本体的性能，保证了其结构强度。

在本实施例中，如图7、图8所示，所述中间外环凸耳浇道730有四个，四个的所述中间外环凸耳浇道730分别连接一个中间外环凸耳型腔720，所述中间外环本体浇道740有四个，四个的所述中间外环本体浇道740分别与中间外环本体型腔710连接，且四个的所述中间外环本体浇道740呈“×”字型设置。通过多浇道的配合设置，可以显著提高型腔的充型能力，减少铸造时的缺陷，提高铸件的力学性能。较佳的，每个所述中间外环冒口补缩浇道760的一端与一个中间外环冒口750连接，另一端分别与靠近中间外环本体型腔710上2侧的一个中间外环本体浇道740连接。

在本实施例中，如图9、图10所示，所述尾环浇注模壳800包括尾环本体型腔810和尾环凸耳型腔820，所述尾环凸耳型腔820有两个，两个的所述尾环凸耳型腔820同时设置在尾环本体型腔810的左3侧或右3侧，且两个的所述尾环凸耳型腔820设置在同一水平高度上，在所述尾环浇注模壳800上设置有尾环凸耳浇道830和尾环本体浇道840，所述尾环凸耳浇道830的一端与尾环凸耳型腔820连接，另一端与第三分浇道930连接，所述第三分浇道930的上游端与主浇道900连接，所述尾环本体浇道840的一端与所述尾环本体型腔810连接，另一端与第三分浇道930连接，且所述尾环本体浇道840设置在尾环凸耳型腔820的同一侧，所述尾环本体浇道840有一个以上，在所述尾环浇注模壳800顶端设置有尾环冒口850，所述尾环冒口850设置在尾环型腔中间段811的外周的中心位置。所述尾环型腔中间段811是指，所述尾环本体型腔810上用于将两个尾环凸耳型腔820连接的圆弧段型腔，应当理解，所述尾环型腔中间段811有两个，设置在上3下3两侧，所述尾环冒口850设置在位于上3侧的尾环型腔中间段811的中间位置。需要说明的是，所述尾环浇注模壳800内部形成尾环浇注腔，尾环浇注腔包括相互连通的尾环本体型腔810和尾环凸耳型腔820，金属液通过尾环凸耳浇道830和尾环本体浇道840进入尾环浇注腔内形成尾环300。现有技术中，尾环300铸件的缩孔缺陷通常位于尾环凸耳310与尾环本体320的连接部位，在本实施例中，将所述尾环凸耳浇道830和尾环本体浇道840同步设置在尾环本体型腔810的左3侧或右3侧，能够实现尾环浇注腔的快速充型，将内部缺陷集中在靠近尾环冒口850的位置，有效地减少了铸件的缺陷，再通过尾环冒口850与浇道之间冒口补缩浇道的设置，能够将铸造时产生的缩孔整体转移至尾环冒口850内，由于尾环冒口850内凝固的结构需要在后续的机加工中切除，因此，上述浇注系统的设置能够有效地避免在铸件本体内形成缩孔缺陷，显著提高了铸件质量，保证了其结构强度。

作为其中可选的实施例，如图9、图10所示，在所述尾环冒口850上设置有尾环冒口补缩浇道860，所述尾环冒口补缩浇道860的一端与尾环冒口850连接，另一端与第三分浇道930连接。通过上述设置，能够将铸造时产生的缩孔缺陷整体转移至尾环冒口850内，从而不影响铸件本体的性能，保证了其结构强度。

在本实施例中，如图9、图10所示，所述尾环凸耳浇道830有两个，两个的所述尾环凸耳浇道830分别连接一个尾环凸耳型腔820，所述尾环本体浇道840有四个，四个的所述尾环本体浇道840分别与尾环本体型腔810连接，且四个的所述尾环本体浇道840呈“×”字型设置。通过多浇道的配合设置，可以显著提高型腔的充型能力，减少铸造时的缺陷，提高铸件的力学性能。

通过上述铸造方法生产的首环100的尺寸为Φ220×130.07mm，铸件的单件重量为5.28KG，中间外环200的尺寸为Φ220×156.15mm，铸件的单件重量为4.74KG，尾环300的尺寸为Φ220×152.87mm，铸件的单件重量为6.3KG。

具体的，所述首环冒口650、中间外环冒口750、尾环冒口850的尺寸均为40×50×55mm，所述第一分浇道910、第二分浇道920、第三分浇道930的直径为Φ45mm，所述首环本体浇道640、中间外环本体浇道740、尾环本体浇道840的直径均为Φ20mm，所述首环凸耳浇道630、中间外环凸耳浇道730、尾环凸耳浇道830的直径均为Φ12mm，所述首环冒口补缩浇道660、中间外环冒口补缩浇道760、尾环冒口补缩浇道860的直径均为Φ15mm。通过上述设置，能够实现铸造时的快速充型，减少铸件内部缺陷。

作为可选的实施例，在步骤S4中磨浇道剩余高度小于等于1.0mm。该设置可以显著缩小后续外观处理时的工作量，提升产品的生产效率。

作为本发明的实施例，步骤S5中的探伤采用X射线探伤。X射线探伤能够对铸件进行无损检测，可以对铸件内部的缺陷如气孔、夹杂物、裂纹等进行有效检测，有助于确保铸件的质量和可靠性。

可选的，步骤S6包括：

步骤S61：采用真空固溶炉将结构件铸件加热至500℃，保温1.5h；

步骤S62：将结构件铸件升温至850±10℃，保温1h；

步骤S63：保温结束后，关闭真空固溶炉，并向真空固溶炉内充入1.05Bar的氩气，使结构件铸件随炉冷却。

在本实施例中，铸件在500℃保温一方面可以消除其内部的残余应力，避免在后续处理中因为内应力集中出现变形或开裂，此外，在500℃保温可以消除铸造过程中出现的元素偏析现象，从而促进合金元素在晶格中的扩散，使得钛合金的成分更为均匀，在此情况下，当铸件在850±10℃保温时，有助于将合金元素重新均匀溶解至Ti基体中，以便在后续的冷却过程中形成更细小的析出物以提升结构件的强度，从而使其满足万向节的使用需求。此外，在保温结束后向真空固溶炉内充入1.05Bar的氩气，并使结构件随炉冷却，该设置一方面使得结构件的温度下降速率较低，有助于释放结构件内部的热应力，减少因温度梯度而产生的内应力，也可以避免快速冷却产生微裂纹，另一方面能够避免结构件表面氧化或氮化，保证其表面质量，此外，随炉冷却使得钛合金中的合金元素能够充分扩散，形成均质的固溶体，从而有效地提高结构件的力学性能。

进一步的，所述步骤S6还包括：

步骤S64：当炉温低于200℃，打开炉门放气冷却；

步骤S65：当炉温低于40℃时出炉。

通过上述设置，可以在保证结构件性能的情况下减少热处理的时间周期，提升其生产效率。当炉温降至200摄氏度以下时，材料内部的热应力已经在之前的缓慢降温中得到了有效的释放，且材料的相变已经完成，继续降温不会引起不利的结构变化。

实施例2

本实施例提供一种深海通信用钛合金万向节，如图1-图4所示，所述万向节包括首环100、中间外环200、尾环300和中间环400，其中首环100、中间外环200和尾环300采用如实施例1所述的铸造方法生产，所述首环100、中间外环200、尾环300分别通过销钉500与所述中间环400连接以形成万向节。需要说明的是，所述中间环400和销钉500采用锻造和机加工的方式生产，具体可以参考现有技术，在此不再加以赘述。

其中，所述中间外环200有一个以上，数量记为n，则所述中间环400的数量为n+1。

所述首环100包括首环本体120和两个首环凸耳110，两个的所述首环凸耳110间隔180°设置在首环本体120的同一侧，且两个的所述首环凸耳110通过销钉500与中间环400连接。

所述中间外环200包括中间外环本体220和四个中间外环凸耳210，四个的所述中间外环凸耳210分为两组相对设置在中间外环本体220的两侧，每组两个中间外环凸耳210，且在同一侧的中间外环凸耳210间隔180°设置在首环本体120上，四个的所述中间外环凸耳210分别用于和中间外环本体220两侧的中间环400连接。

所述尾环300包括尾环本体320和两个尾环凸耳310，两个的所述尾环凸耳310间隔180°设置在尾环本体320的同一侧，且两个的所述尾环凸耳310通过销钉500与中间环400连接。

相邻的首环100和中间外环200与设置在两者之间的同一个中间环400连接，且首环凸耳110与中间外环凸耳210间隔90°设置；当中间外环200有两个以上时，相邻的两个中间外环200与设置在两者之间的同一个中间环400连接，且此时两个中间外环200上的中间外环凸耳210间隔90°设置；相邻的中间外环200和尾环300与设置在两者之间的同一个中间环400连接，且中间外环凸耳210与尾环凸耳310间隔90°设置。通过上述设置，使得每个中间环400上的4个销钉500呈十字形分布，使得万向节在受到外力时，中间外环200或中间环400能够绕销钉500转动，从而使得万向节向受力方向弯曲，由于具有至少两个可以转动的部件，显著提高了万向节转动的灵活性，保证了海洋光缆信号放大器的使用安全性。需要说明的是，为了防止销钉500脱落，在每个销钉500的顶部设置一个卡环，具体可以参考现有技术，在此不再加以赘述。

作为其中可选的实施例，所述销钉500的尺寸为M28，其力学性能需满足表7中的要求，才能确保万向节的整体强度。

表7 销钉的性能需求

通过上述设置，实现了钛合金万向节各个部件的最佳性能匹配，通过试验验证，采用上述结构件及销钉500制备的钛合金万向节的整体强度能够达到560KN以上，满足了深海光通信网络的使用要求。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“尾端”、“首端”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法，其特征在于，所述结构件包括首环（100）、中间外环（200）和尾环（300），所述铸造方法包括：

步骤S1：使用钛合金氧化钇涂料作为面层进行蜡模模壳的制备，制壳厚度8-12mm；

步骤S2：将模壳放置在加热炉中，在炉温升至1000~1100℃后保温5-7h；

步骤S3：采用真空自耗凝壳炉进行钛合金的熔炼以及对模壳的浇注，浇注完成25s~35s后通入预设压强的氩气，然后冷却25~35min后出炉；

步骤S4：对浇铸件进行清壳、切割、磨浇道、修外观，获得结构件铸件；

步骤S5：对步骤S4获得的结构件铸件进行探伤；

步骤S6：对步骤S5中探伤合格的结构件铸件进行热处理；

其中，步骤S1中制备的模壳包括首环浇注模壳（600）和/或中间外环浇注模壳（700）和/或尾环浇注模壳（800），在首环浇注模壳（600）和/或中间外环浇注模壳（700）和/或尾环浇注模壳（800）上均设置有冒口和浇道，且在各自的冒口与浇道之间均设置有冒口补缩浇道；所述冒口补缩浇道用于在浇注过程中通过冒口同步向浇注模壳内输送金属液；所述结构件铸件中各成分质量百分比为：Al：6.2~6.6%、V：4.0~4.3%、O：0.18~0.20%、Y：0.15~0.20%、C≤0.10%、N≤0.05%、H≤0.015%、Fe≤0.40%，余量为Ti；

在步骤S3中，通过主浇道（900）进行结构件的浇注，在所述主浇道（900）的周向上设置有若干第一分浇道（910）和/或若干第二分浇道（920）和/或若干第三分浇道（930），每个第一分浇道（910）与一个首环浇注模壳（600）连接，每一个第二分浇道（920）与一个中间外环浇注模壳（700）连接，每一个第三分浇道（930）与一个尾环浇注模壳（800）连接；

所述首环浇注模壳（600）包括首环本体型腔（610）和首环凸耳型腔（620），所述首环凸耳型腔（620）有两个，两个的所述首环凸耳型腔（620）同时设置在首环本体型腔（610）的左1侧或右1侧，且两个的所述首环凸耳型腔（620）设置在同一水平高度上，在所述首环浇注模壳（600）上设置有首环凸耳浇道（630）和首环本体浇道（640），所述首环凸耳浇道（630）一端与首环凸耳型腔（620）连接，另一端与第一分浇道（910）连接，所述首环本体浇道（640）一端与所述首环本体型腔（610）连接，另一端与第一分浇道（910）连接，所述首环本体浇道（640）设置在远离首环凸耳型腔（620）的一侧，所述首环本体浇道（640）有一个以上，在所述首环浇注模壳（600）顶端设置有首环冒口（650），所述首环冒口（650）设置在首环型腔中间段（611）外周的中心位置；

所述中间外环浇注模壳（700）包括中间外环本体型腔（710）和中间外环凸耳型腔（720），所述中间外环凸耳型腔（720）有四个，四个的所述中间外环凸耳型腔（720）两两相对地设置在中间外环本体型腔（710）的左2侧和右2侧，且四个的所述中间外环凸耳型腔（720）设置在同一水平高度上，在所述中间外环浇注模壳（700）上设置有中间外环凸耳浇道（730）和中间外环本体浇道（740），所述中间外环凸耳浇道（730）的一端与中间外环凸耳型腔（720）连接，另一端与第二分浇道（920）连接，所述中间外环本体浇道（740）的一端与所述中间外环本体型腔（710）连接，另一端与第二分浇道（920）连接，且所述中间外环本体浇道（740）设置在所述中间外环本体型腔（710）的左2侧或右2侧，所述中间外环本体浇道（740）有一个以上，在所述中间外环浇注模壳（700）上设置有中间外环冒口（750），所述中间外环冒口（750）有两个，所述中间外环冒口（750）设置在中间外环型腔中间段（711）的外周上，且中间外环冒口（750）与上2下2形成的垂向存在一定的夹角，两个的所述中间外环冒口（750）以上2下2形成的垂向为对称轴对称设置；

所述尾环浇注模壳（800）包括尾环本体型腔（810）和尾环凸耳型腔（820），所述尾环凸耳型腔（820）有两个，两个的所述尾环凸耳型腔（820）同时设置在尾环本体型腔（810）的左3侧或右3侧，且两个的所述尾环凸耳型腔（820）设置在同一水平高度上，在所述尾环浇注模壳（800）上设置有尾环凸耳浇道（830）和尾环本体浇道（840），所述尾环凸耳浇道（830）的一端与尾环凸耳型腔（820）连接，另一端与第三分浇道（930）连接，所述尾环本体浇道（840）的一端与所述尾环本体型腔（810）连接，另一端与第三分浇道（930）连接，且所述尾环本体浇道（840）设置在尾环凸耳型腔（820）的同一侧，所述尾环本体浇道（840）有一个以上，在所述尾环浇注模壳（800）顶端设置有尾环冒口（850），所述尾环冒口（850）设置在尾环型腔中间段（811）的外周的中心位置。

2.如权利要求1所述的深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法，其特征在于，在步骤S3中的预设压强为0.04-0.06MPa。

3.如权利要求1所述的深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法，其特征在于，步骤S6包括：

步骤S61：采用真空固溶炉将结构件铸件加热至500℃，保温1.5h；

步骤S62：将结构件铸件升温至850±10℃，保温1h；

步骤S63：保温结束后，关闭真空固溶炉，并向真空固溶炉内充入1.05Bar的氩气，使结构件铸件随炉冷却。

4.如权利要求3所述的深海通信用钛合金万向节结构件的铸造方法，其特征在于，步骤S6还包括：

步骤S64：当炉温低于200℃，打开炉门放气冷却；

步骤S65：当炉温低于40℃时出炉。

5.一种深海通信用钛合金万向节，其特征在于，所述万向节包括首环（100）、中间外环（200）、尾环（300）和中间环（400），所述首环（100）、中间外环（200）、尾环（300）分别通过销钉（500）与所述中间环（400）连接以形成万向节，其中，首环（100）、中间外环（200）和尾环（300）中的至少一个采用如权利要求1-4中任一项所述的铸造方法生产。