一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及精密鑄造領域，具體為一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造成型方法。本發(fā)明涉及的鈦合金桶體制備包括氧化釔耐火材料制備陶瓷模殼技術、三坐標尺寸測量技術以及離心精鑄成型技術等，突破了大尺寸薄壁件模型精度控制、模殼制備及離心鑄造等關鍵技術，為大型鈦合金精密鑄造成型提供了一種可行的方法。與傳統(tǒng)的石墨型鑄造相比，氧化物陶瓷型模殼精密鑄造解決了鈦鑄件表面反應層問題，從而提高了鑄件表面質量，離心鑄造方法大大改善了鑄件內部質量。采用該方法可以實現(xiàn)鑄件表面無污染，內部無冶金缺陷，并結合三坐標在整個過程的跟蹤監(jiān)控，實現(xiàn)尺寸精確控制。
【專利說明】一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及精密鑄造領域，具體為一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造成型方法。
【背景技術】
[0002]作為一種近凈成型技術，精密鑄造技術特別適用于成型因形狀復雜而無法焊接或加工的大尺寸結構件，或者是雖然可以焊接或加工但無法承受巨大經濟成本的結構件。鈦合金廣泛應用于航空航天領域，其加工成本遠高于合金鋼和鋁合金等常用金屬材料，因此發(fā)展鈦合金精密鑄造技術具有十分重要的意義。
[0003]鈦合金在熔融狀態(tài)下具有極高的化學活性，幾乎與所有的耐火材料發(fā)生化學反應，在鑄件表面形成反應層，嚴重惡化鑄件質量，影響鑄件尺寸精度，甚至報廢。研究表明，Y2O3耐火材料具有很好的化學穩(wěn)定性，是目前最適宜于鈦合金精密鑄造的模殼材料。但大型桶體結構件具有典型的大尺寸平面，如何控制大平面模殼不開裂、不回溶、不鼓包是模殼制備最為關鍵的技術。
[0004]本發(fā)明涉及的桶體結構件直徑大于600mm,高度大于750mm,壁厚小于5mm,難以實驗模型整體壓注成型，分體模型在組合時必然造成尺寸偏差，如何保證在組模、涂料、脫蠟、燒結、裝爐等過程的不變形，實現(xiàn)尺寸精度控制，是大型結構件制備的技術難點。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的離心精密鑄造制備方法，采用該方法可以實現(xiàn)鑄件表面無污染，內部無冶金缺陷，并結合三坐標在整個過程的跟蹤監(jiān)控，實現(xiàn)尺寸精確控制。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
[0007]一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，該方法的技術路徑是:模型壓制一尺寸檢驗一模型組合一尺寸檢驗一模殼制備一脫蠟一模殼焙燒一離心澆注一熱等靜壓等工序完成鑄件制備，其中:
[0008](I)模型制備:采用填充模料、20T單工位壓蠟機進行壓制；注蠟溫度:55?70°C，注蠟時間:20?50s，保壓時間:100?300s，模型采用分段式壓制模型，每段進行三坐標檢測，合格后在胎具上組焊，再進行整體檢測，直至合格；
[0009](2)模殼制備:面層料漿采用270?425目氧化釔粉和有機物溶膠配制，粉液比為
5.0?6.5g/ml，撒砂骨料為40?90目氧化釔，第二?十層料漿采用270?320目白剛玉與硅溶膠配制，粉液比為2.0?3.5g/ml，撒砂骨料分別為:第二?四層36#剛玉砂、第五?七層30#剛玉砂和第八?十層24#剛玉砂，每層充分干燥后涂制下一層，最后一層封漿后干燥48h，然后脫蠟、焙燒形成模殼；
[0010](3)離心澆注:將處理好的模殼裝進砂箱中，在400?600°C馬弗爐中預熱4?8h，轉移到凝殼爐轉盤上，抽真空至20?50Pa，設定離心轉速為150?400轉/分，澆注，保溫I?3h，出爐，清殼，得到鑄件；
[0011](4)熱等靜壓:鑄件切除澆注系統(tǒng)后，進行熱等靜壓，其制度為:溫度900?1200。。，壓力 100 ?150MPa，時間 2 ?5h ;
[0012](5)澆冒口切割加工及桶體局部修整:用電火花線切割切除澆冒口，對鑄件表面進行吹砂，局部有粘砂缺陷進行精修；
[0013](6)鑄件檢驗:用三坐標對尺寸進行檢驗，局部超差部位進行拋磨修整。
[0014]所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，填充模料常用的型號為B573、KC4021D 或者 F30-75。
[0015]所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，每層料漿中加入常用的潤濕劑、消泡劑及成膜助劑，潤濕劑為脂肪醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑；消泡劑為正辛醇或有機硅消泡劑，成膜助劑為聚丁二烯或丁苯類聚合物，潤濕劑、消泡劑及成膜助劑的含量之和占料漿重量的I?4%。。
[0016]所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，有機物溶膠為有機鋯溶膠。
[0017]所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，桶體結構件直徑大于600mm,高度大于750mm,壁厚小于5mm。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0019]1、本發(fā)明涉及的鈦合金桶體制備包括氧化釔耐火材料制備陶瓷模殼技術、三坐標尺寸測量技術以及離心精鑄成型技術等，突破了大尺寸薄壁件模型精度控制、模殼制備及離心鑄造等關鍵技術，為大型鈦合金精密鑄造成型提供了一種可行的方法。與傳統(tǒng)的石墨型鑄造相比，氧化物陶瓷型模殼精密鑄造解決了鈦鑄件表面反應層問題，從而提高了鑄件表面質量，離心鑄造方法大大改善了鑄件內部質量。
[0020]2、本發(fā)明鈦合金熔液的高活性要求采用特殊的熔煉方法，通常采用水冷金屬坩堝熔煉，以避免熔融液與坩堝材料發(fā)生化學反應而污染合金液。由于冷卻水帶走大量熱量，導致合金液的過熱度降低，通常只有50K，這對于大型薄壁件的充型極為不利，離心力可加速合金液在鑄型中的流動，而離心力場會給合金液的流動、充型和凝固順序帶來極大的影響，難以實現(xiàn)由表及里的理想順序，而產生疏松缺陷。因此，確定離心轉速是既能保證完好充型又能避免疏松缺陷的關鍵參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為澆鑄出的鑄件成品圖。
[0022]圖2為鑄件表面硬化層的硬度變化曲線。
[0023]圖3 (a)-圖3 (c)為鑄件截面照片與模殼材料主元素在鑄件表面分布曲線。其中，圖3 (a)為鑄件截面照片；圖3 (b)為Y元素分布曲線；圖3 (c)為O元素分布曲線。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，其技術路徑是:模型壓制一尺寸檢驗一模型組合一尺寸檢驗一模殼制備一脫蠟一模殼焙燒一離心澆注一熱等靜壓等工序完成鑄件制備。其中，尺寸檢驗采用global classic SR9128三坐標進行測量；組焊胎具(即模型組合)根據(jù)零件數(shù)模設計，不銹鋼材料精密加工而成；模殼面層材料為氧化釔，采用手搖式旋轉涂料裝置輔助完成模殼制備；離心澆注在200kg凝殼爐內完成，離心轉速為150?400轉/分。其中:
[0025](I)模型制備(模型壓制一尺寸檢驗一模型組合):采用填充模料、20T單工位壓蠟機進行壓制。注蠟溫度:55?70°C，注蠟時間:20?50s，保壓時間:100?300s，模型采用分段式壓制模型，每段進行三坐標檢測，合格后在胎具上組焊，再進行整體檢測，直至合格。其中，填充模料可以為KC4021D、F30-75或F30-75M0D，生產廠家為M.Argueso&C0.1nc.。
[0026](2)模殼制備:面層料漿采用270?425目氧化釔粉和有機物溶膠配制，粉液比為
5.0?6.5g/ml，撒砂骨料為40?90目氧化釔，第二?十層料漿采用270?320目白剛玉與硅溶膠配制，粉液比為2.0?3.5g/ml，撒砂骨料分別為:二?四層36#剛玉砂、五?七層30#剛玉砂和八?十層24#剛玉砂，此設計的作用是提高模殼強度，以保證模殼在脫蠟、搬運、燒結過程中不損壞，以及承受澆鑄過程中熔融液的沖擊。
[0027]每層料漿中加入常用的潤濕劑、消泡劑及成膜助劑，潤濕劑為脂肪醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑(如=JFC系列潤濕劑，RO(CH2CH2O)nH，通常R=C8?C10，n=4?8);消泡劑為正辛醇或有機硅消泡劑(如:武漢智發(fā)科技開發(fā)有限公司生產的ZF-100型有機硅消泡劑)，成膜助劑為聚丁二烯或丁苯類聚合物，潤濕劑、消泡劑及成膜助劑的含量之和占料漿重量的I?4%。。每層充分干燥后涂制下一層，最后一層封漿后干燥48h，然后脫蠟、焙燒形成模殼。其中，有機物溶膠為有機鋯溶膠(如:醋酸鋯溶膠)。
[0028]本發(fā)明中，丁苯類聚合物可以采用:苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯共聚物(SIS)以及丁腈橡膠(NBR)、聚苯乙烯(HIPS)
坐寸ο
[0029](3)離心澆注:將處理好的模殼裝進砂箱中，在400?600°C馬弗爐中預熱4?8h，轉移到凝殼爐轉盤上，抽真空至20?50Pa，設定離心轉速為150?400轉/分，澆注，保溫I?3h，出爐，清殼，得到鑄件。
[0030](4)熱等靜壓:鑄件切除澆注系統(tǒng)后，進行熱等靜壓，其制度為:溫度900?1200。。，壓力 100 ?150MPa，時間 2 ?5h。
[0031](5)澆冒口切割加工及桶體局部修整:用電火花線切割切除澆冒口，對鑄件表面進行吹砂，局部有粘砂缺陷進行精修。
[0032](6)鑄件檢驗:用三坐標對尺寸進行檢驗，局部超差部位進行拋磨修整。
[0033]下面結合實施例對本發(fā)明做詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于下述的實施例。
[0034]本實施例制備的桶體件尺寸為:高度760cm，外徑610cm，厚度4_，具體實施步驟如下:
[0035](I)模型制備:采用F30-75填充模料，注蠟溫度:65°C，注蠟時間:40s，保壓時間:240s，三坐標檢測合格后在胎具上組焊，再進行整體檢測，直至合格。
[0036](2)模殼制備:面層料漿采用325目氧化釔粉和醋酸鋯溶膠配制，粉液比為5.5g/ml，撒砂骨料為60目氧化釔，第二?十層料漿采用320目白剛玉與硅溶膠配制，粉液比為
2.5g/ml,撒砂骨料分別為:第二?四層36#剛玉砂、第五?七層30#剛玉砂和第八?十層24#剛玉砂。每層料漿中加入常用的潤濕劑、消泡劑及成膜助劑，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇，成膜助劑為聚丁二烯聚合物，潤濕劑、消泡劑及成膜助劑的含量分別占料漿重量的1%。。每層充分干燥后涂制下一層，最后一層封漿后干燥48h，然后脫蠟、焙燒形成模殼。
[0037](3)離心澆注:將處理好的模殼裝進砂箱中，在450°C馬弗爐中預熱5h，轉移到凝殼爐轉盤上，抽真空至40Pa，設定離心轉速為200轉/分，澆注，保溫2h，出爐，清殼，得到鑄件。
[0038](4)熱等靜壓:鑄件切除澆注系統(tǒng)后，進行熱等靜壓，其制度為:溫度950°C，壓力120MPa，時間 3h。
[0039](5)澆冒口切割加工及桶體局部修整:用電火花線切割切除澆冒口，對鑄件表面進行吹砂，局部有粘砂缺陷進行精修。
[0040](6)鑄件檢驗:用三坐標對尺寸進行檢驗，局部超差部位進行拋磨修整。
[0041]如圖1所示，從澆鑄出的鑄件成品圖可以看出，鑄件表面光滑，邊緣完整，表面沒有可見的毛刺或凹坑等缺陷，呈金屬色。
[0042]如圖2所示，從鑄件表面硬化層的硬度變化曲線可以看出，鑄件表面存在約200 μ m的硬化層。如圖3 (a)_圖3 (c)所示，結合鑄件截面金相照片和模殼材料主元素分布曲線可以看出，在鑄件表面存在一層晶粒細化區(qū)，但該區(qū)域并沒有明顯的模殼材料的擴散。因此，可以判斷該耐火材料對鈦合金精密鑄造是足夠穩(wěn)定的。
[0043]實施例結果表明，本發(fā)明中采用了特定的工藝步驟:模殼制備、模殼焙燒、離心澆注、熱等靜壓等，并相應地采用了特定工藝參數(shù)協(xié)同作用下，可以實現(xiàn)鑄件表面無污染，內部無冶金缺陷，并結合三坐標在整個過程的跟蹤監(jiān)控，實現(xiàn)尺寸精確控制。與傳統(tǒng)的石墨型鑄造相比，氧化物陶瓷型模殼精密鑄造解決了鈦鑄件表面反應層問題，從而提高了鑄件表面質量，離心鑄造方法大大改善了鑄件內部質量。
【權利要求】
1.一種大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，其特征在于，該方法的技術路徑是:模型壓制一尺寸檢驗一模型組合一尺寸檢驗一模殼制備一脫臘一模殼倍燒一尚心澆注一熱等靜壓等工序完成鑄件制備，其中: (1)模型制備:采用填充模料、20T單工位壓蠟機進行壓制；注蠟溫度:55?70°C，注蠟時間:20?50s，保壓時間:100?300s，模型采用分段式壓制模型，每段進行三坐標檢測，合格后在胎具上組焊，再進行整體檢測，直至合格； (2)模殼制備:面層料漿采用270?425目氧化釔粉和有機物溶膠配制，粉液比為5.0?6.5g/ml，撒砂骨料為40?90目氧化釔，第二?十層料漿采用270?320目白剛玉與硅溶膠配制，粉液比為2.0?3.5g/ml，撒砂骨料分別為:第二?四層36#剛玉砂、第五?七層30#剛玉砂和第八?十層24#剛玉砂，每層充分干燥后涂制下一層，最后一層封漿后干燥48h，然后脫蠟、焙燒形成模殼； (3)離心澆注:將處理好的模殼裝進砂箱中，在400?600°C馬弗爐中預熱4?8h，轉移到凝殼爐轉盤上，抽真空至20?50Pa，設定離心轉速為150?400轉/分，澆注，保溫I?3h，出爐，清殼，得到鑄件； (4)熱等靜壓:鑄件切除澆注系統(tǒng)后，進行熱等靜壓，其制度為:溫度900?1200°C，壓力100?I5OMPa,時間2?油； (5)澆冒口切割加工及桶體局部修整:用電火花線切割切除澆冒口，對鑄件表面進行吹砂，局部有粘砂缺陷進行精修； (6)鑄件檢驗:用三坐標對尺寸進行檢驗，局部超差部位進行拋磨修整。
2.按照權利要求1所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，其特征在于，填充模料常用的型號為B573、KC4021D或者F30-75。
3.按照權利要求1所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，其特征在于，每層料漿中加入常用的潤濕劑、消泡劑及成膜助劑，潤濕劑為脂肪醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑；消泡劑為正辛醇或有機硅消泡劑，成膜助劑為聚丁二烯或丁苯類聚合物，潤濕劑、消泡劑及成膜助劑的含量之和占料漿重量的I?4%。。
4.按照權利要求1所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，其特征在于，有機物溶膠為有機鋯溶膠。
5.按照權利要求1所述的大尺寸薄壁鈦合金桶體結構的精密鑄造制備方法，其特征在于，桶體結構件直徑大于600mm,高度大于750mm,壁厚小于5mm。
【文檔編號】B22D13/02GK103817290SQ201410097842
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權日:2014年3月17日
【發(fā)明者】賈清, 劉榮華, 李偉, 崔玉友, 楊銳 申請人:中國科學院金屬研究所