专利名称：钛合金导弹舱体定向凝固铸造设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到一种铸造设备，特别是涉及到钛合金导弹舱体的铸造设备。
背景技术：
铸造钛合金导弹舱体在我国只是近几年的事，由于钛合金化学性质很活泼，因而 必须采用特殊的稳定性很高的铸型材料，如手工捣固的石墨模型或石墨壳型等，在惰性气 体(氩或氮)保护感应熔铸设备中铸造而成。惰性气体保护感应熔铸设备主要由保护室、 真空充氩(氮)系统及感应凝壳炉三部分组成。真空充氩(氮)系统由油扩散泵、罗茨泵、 机械泵以及充氩(氮)系统组成。感应凝壳炉由水冷铜坩埚及中频感应线圈组成，其设备 示意图如图l所示，图中1、窥视加料孔，2、保护室，3、感应凝壳炉，4、感应凝壳炉旋转轴，5、 保护室外旋转手轮，6、中间包，7、手工捣固石墨模型(或称模壳)，8、真空阀门，9、惰性气体 阀门，10、窥视孔。 设备操作过程(a)打开保护室上盖，安装好手工捣固石墨模型(7)及中间包(6)， 把钛合金炉料装入感应凝壳炉(3)中，关闭保护室上盖；(b)打开真空阀门(8)抽真空，达 到真空度后继续抽真空保持真空度；(c)当钛合金熔炼达到要求后旋转保护室外旋转手轮 (5)，旋转感应凝壳炉，把钛合金浇铸到中间包(6)中。镇静一定时间待气泡及悬浮物浮起 后，拔起中间包(6)的柱塞，把合金浇入到石墨模型(7)中，此时关闭真空阀门(8)并开启 阀门(9)，通入惰性气体，让铸件在惰性气体压力下凝固。铸件自然冷却后，关闭阀门(9)， 打开保护室(2)，取出模型(7)及中间包(6)，打箱取出铸件。其铸造工艺全过程如下制 石墨模——组模——熔炼浇铸——清壳——初退火——吹砂、酸洗——热等静压——射线 检查——荧光检验——尺寸检查——舱体粗加工——舱体真空去应力处理——舱体精加 工——舱体最终检验。纵观以上工艺流程，笔者认为此工艺仍然是铸型铸造，自然冷却。这 样的冷却方式仍然是薄壁处先冷却，加强筋处后冷却。很难避免加强筋处产生縮松缺陷，另 外其晶粒为等轴形。这些可能是我国导弹舱体性能长期落后于国外的原因。对于钛合金舱 体，虽然有后继的热等静压工序，对力学性能的提高仍是有限的。纵观在铸造领域，为了克 服縮松缺陷提高铸件质量，只有定向凝固最为有效。50年代美国军方提出用失蜡精密铸造 模壳中浇铸钢液，实现定向凝固，铸出的航空涡轮叶片，大幅度地提高了机械性能及耐热性 能，提高了发动机的使用温度，从而提高了飞机的马赫数，超过了模锻的涡轮叶片，见参考 文献。但是该工艺的应用范围也是有限的，只能用于小型铸件，不能用于中、大型铸件。因 蜡料的强度有限，中、大型腊模难以承受工艺过程外力的作用而变形或破损。像导弹舱体这 样的中、大型薄壁铸件采用上述的失蜡精密铸造定向凝固是根本不可能的。
发明内容为了克服目前我国钛合金导弹舱体机械性能不高经常有疏松缺陷出现的不足，本 实用新型提出"钛合金导弹舱体定向凝固铸造设备"，本设备与
图1设备之不同点在于本 设备有两个保护室，其中设置有加热保温区、冷却区还有引出底模。在未浇铸以前，模壳设
3置在引出底模之上，处于加热保温区之内，其温度在合金熔点以上20°C 。当合金浇铸于模壳 之中以后，引出底模带动模壳及铸件以一定的速度下降到下面的冷却区。这样铸件底部先 进入冷却区，因而先凝固，然后逐渐冷却到上部，最终整个铸件实现了定向凝固。由于铸件 底部先进入冷却区，因而它先凝固结晶，这些晶粒作为晶种，随着模壳下降，冷却区的上移， 它们不断地向上伸长，结果在整个铸件都生长成为由下而上的细长的柱状晶。作为金属材 料的薄弱点的晶界，都分布于柱状晶之间，平行于铸件轴线，横向的晶界大为减少，因而铸 件宏观的机械性能大幅度提高。但是传统定向凝固的失蜡制模壳法对于导弹舱体是行不通 的，因此如何制模壳对于本发明是一个关键。然而考虑到导弹舱体是一个薄壁筒型铸件，其 模壳必然由内外模壳(两个筒型件)及底模构成，因导弹舱体厚度只有5-8mm，因而底模的 宽度也只有5-8mm。所以导弹舱体的模壳主要是内外模壳，底模很小，容易制作。 为了解决模壳的制作问题，并实现导弹舱体的定向凝固，本实用新型所采用的技 术方案如下 1、采用其他办法(非失蜡制模壳法)分别制作两个筒型模壳，然后在把它们套装 在一起，制成完整模壳。 2、用压制紧实的石墨坯料再经精密机械加工制成内外两个模壳，在其内模壳底部
车出一个法兰盘，借以形成底模，然后把这两个模壳套装在一起，组成完整的模壳。 3、在两个精密加工的金属模具(内外各一个)上涂以数层精密铸造浆料并在每层
浆料上撒布一层石英砂骨料，固化后取下，则得内外精铸模壳各一个，然后在内精铸模壳之
下法兰上涂以浆料，把外模壳套装于其外，底部粘接在一起，便得完整模壳。 4、在模壳内外设置加热炉，以备在浇铸以前模壳已加热到合金熔点以上20°C，以
避免液体金属浇铸之后的无序凝固。 5、为了保证液体金属定向快速凝固，在加热炉之下设置有外喷水环及内喷水器， 组成喷水冷却区。当模壳以一定速度下降到下面的喷水冷却区后，其中的液体金属被由下 而上逐层冷却，实现定向凝固。 6、为了确保金属定向凝固必须避免下面的喷水喷溅到上面的加热保温区，同时要 避免加热保温区的热量幅射或传导到下面来。为此本发明在加热保温区及喷水冷却区之间 设置了耐火毡垫，把两者隔离开。 7、为了保证浇铸后的模壳能以一定速度由加热保温区下降到喷水冷却区，本发明
将其安装在引出底模(25)上，后者承载着前者以一定速度下降到冷却区。 8、为了达到快速定向凝固的目的，本工作的内喷水器(23)与下面的厚壁输水管
焊接在一起，并由后者将其支持于引出底模之中心。 本实用新型的有益效果是可以彻底改变原工艺(图l)条件下的凝固方式，实 现定向凝固，杜绝了导弹舱体长期以来难以避免的縮松缺陷，使导弹舱体的晶体结构由等 轴晶改变为柱状晶，并且其排列方向与导弹舱体轴线方向一致，因而能大幅度的提高ob、 S %以及疲劳强度。
以下结合附图和实施例对本实用新型性进一步说明
图1是本实用新型提出以前钛合金导弹 体生产设备示意图。[0017] 图2是本实用新型第1实施例的设备示意图。 图3是本实用新型第2实施例的设备示意图。 图4是芯盒装配图，它是图3(第二实施例)中制作内精铸模壳的模具。 图5是图4的芯盒体图。 图6是图4的上下法兰图。 图7是图4的加强筋及圆台结构图。 图8是图3(第二实施例)制作外精铸模壳的圆筒模型图。 图2中1、窥视加料孔，2、保护室，3、感应凝壳炉，4、旋转轴，5、保护室外旋转手 轮，6、中间包，43、外石墨模壳，8、真空阀门，9、惰性气体阀门，10、窥视孔，11、浇冒口杯，44、 内石墨模壳，13、型腔，14、外加热炉保温层，15、外加热炉壳，16、内加热炉耐火支架，17、中 心固定支柱，18、外加热炉加热体，19、内加热炉加热体，20、内耐火毡垫，21、外耐火毡垫， 22、外喷水环，23、内喷水器，24、溢流孔，25、引出底模，26、下保护室，27、排水阀门，28、螺 钉、29、通气道。
具体实施方式图2中，窥视加料孔(1)既能窥视炉中熔炼情况又能加入少量易烧损的合金元素， 保护室(2)为lOmm钢板焊接而成的圆柱形铁壳，感应凝壳炉(3)由水冷铜坩埚及感应线 圈组成，旋转轴(4)是整个感应凝壳炉的支持物，保护室外旋转手轮(5)安装在感应凝壳 炉旋转轴保护室之外部分，操作时可以旋转此轮使感应凝壳炉倾斜把液体金属浇注到其下 方的中间包中，中间包(6)为长方形铁槽，其内衬有氧化物陶瓷耐火材料，钛合金浇入其中 后经过一定时间的镇静，气泡及夹杂物漂浮至上表面之后，再浇注到下方的浇冒口杯(11) 中，外石墨模壳(43)是内表面精车的高密度石墨圆筒，其内表面直径与导弹舱外表面直径 一致。真空阀门(8)开启后，可把上下两个保护室抽成真空，当其关闭后可保持真空。惰性 气体阀门(9)开启后可把上下两个保护室充满惰性气体。窥视孔(10)可观察浇注情况，浇 冒口杯(11)为普通石墨制成，内石墨模型(44)为高密度石墨精车、精铣而成，其外表面有 横竖沟槽及圆坑；型腔(13)为5-6mm狭窄间隙；外加热炉保温层(14)是耐火粘土烧制而 成，其上有耐火支架，文承着外加热体(18);外加热炉炉壳(15)是5mm钢板焊接而成；内加 热炉耐火支架(16)是圆筒状耐火陶瓷烧结而成，其外面有支架支承着内加热体(19)，安插 在中心固定支柱(17)上，内外加热炉就构成了加热保温区，保证石墨模型温度高于合金熔 点之上。并保持2(TC的过热度。中心固定支柱(17)是耐热钢棒材经机械加工并焊接在内 喷水器(23)之上；外加热炉加热体(18)可采用高频圈或螺旋状矽碳棒；内加热炉加热体 (19)亦可采用高频圈或螺旋状矽碳棒；内耐火毡垫(20)为硅酸铝耐火纤维编织而成，剪成 垫圈状，其中心孔套在中心固定支柱上，外圆周上剪有小豁口，以便呈向下翘曲变形，其作 用是防止下面的喷水进入上面的加热炉中，外耐火毡垫(21)亦硅酸铝耐火纤维编织而成， 剪成垫圈状，其目的也是防止下面的喷水进入上面的加热炉中；外喷水环(22)为环状喷水 装置，耐热钢板焊成，其截面为矩形，其内表面上有数排小孔，安装在引出底模(25)之外以 便向后者及外石墨模壳(43)喷洒冷却液，冷却液采用_20°〇之盐水，以便增加冷却效果；内 喷水器(23)焊接在中心固定支柱(17)之下，是一个圆筒形耐热钢容器，圆筒面上有数行小 孔，-2(TC冷却液由下面的管件进入其中，通过小孔喷向引出底模(25)及内石墨模型(44);溢流孔(24)是钻在引出底模(25)上的4个大圆孔，以便内喷水器(23)喷出的冷却水流出 引出底模(25)之外，淌到下方，通过水阀(27)流出下保护室(26)之外；引出底模(25)是 不锈钢车制的回转体另件，其顶部支承着外石墨模壳(43)及内石墨模壳(44)其下方连接 着保护室(26)以外的引出机构，启动引出机构可带动它上下运动，同时也带动内外石墨模 壳上下运动；下保护室(26)为lOmm不锈钢板焊接制成位于原保护室(2)之下，故称下保护 室；排水阀门(27)是自动控制水阀，其作用在于控制下保护室(26)底部冷却水的深度。当 其达到一定深度时它便开启，排出这些冷却水；反之冷却水太浅，惰性气体有可能由此逸出 时，此阀门自动关闭；螺钉(28)安装在下保护室法兰盘上，其作用是把上下两个保护室连 接在一起，成为一个密闭整体；通气道(29)，其作用是保持上下两个保护室气流通畅。 设备操作过程a)打开保护室(2)上盖，把钛合金炉料装入感应凝壳炉中，使引出 底模(25)上表面升至保护室(2)底板平面，把内加热炉耐火支架(16)及内加热体(19)安 插在中心固定支柱(17)上。b)把内外石墨模壳(44、43)及浇冒口杯(11)安装在引出底模 (25)之顶端，把外加热炉(14、15、18)安装在外石墨模壳(43)之外，再安装好中间包(6)。 c)拧紧螺钉(28)使上下保护室形成一个密封整体，开启真空阀门(8)使上下保护室同时抽 真空，达到真空度后，继续抽真空，保持真空度。d)开启感应凝壳炉(3)开始熔炼合金，之 后再开启模型内外加热炉(18、19)。 e)当感应凝壳炉(3)中钛合金熔炼合格及内外石墨模 壳(43、44)温度达到合金熔点以上的某一过热度后，开始浇铸合金到中间包(6)中，当合金 在其中镇静一定时间后打开柱塞使合金浇注到下方的浇冒口杯(11)及型腔(13)中，经过 一定时间后，关闭真空阀门(8)并开启惰性气体阀门(9)，使上下保护室充满惰性气体。f) 启动内外喷水装置(23、22)及设备下面的引出装置使引出底模(25)及内外石墨模壳(43、 44)以一定速度向下方牵引，铸件在加热保温区被逐渐引入强制冷却区以实现定向凝固。当 整个石墨模壳(43、44)下降到保护室(2)底板之下时冷却过程完毕。g)关闭惰性气体阀门 (9)，待整个装置冷却后，卸下紧固螺钉(28)，吊走上面的保护室(2)、同时带走感应凝壳炉 (3)以及外加热炉(14、15、18)，然后开启引出装置使引出底模(25)上升，使内外石墨模壳 (43、44)上升到下保护室(26)之上，取下内外石墨模壳(43、44)及铸件以及内加热炉(16、 19)，打箱完毕。可见，内外石墨模壳(43、44)由加热保温区以一定速度进入下面的冷却区 就实现了定向凝固。本工作的操作要点在于真空熔炼、真空浇注及惰性气体保护下定向凝 固。 图3所示为第2实施例，它与图2(第1实施例)的区别在于把图2上的外石墨模 壳(43)及内石墨模壳(44)更换为图3上的外精铸模壳(45)及内精铸模壳(46)，其余机构 均无区别。 本工作的图3 (第2个实施例)的特点是用金属芯盒生产内精铸模壳，用圆棒模具 生产外精铸模壳，然后再把它们组装成完整的精铸模壳。本工作得以实施都是基于导弹舱 体的形状是一个比较简单的迥转圆柱体。前面所列图4、图5、图6、图7、图8所示的模具及 工具图都是进一步说明图3的(第2实施例)。其中图4、图5、图6、图7为制作内精铸模 壳的模具图，图8为制作外精铸模壳的模具图，图4为芯盒装配图。 图4中30、芯盒体，31、上法兰，32、下法兰，33、弧型筋，34、直筋，35、圆台a，36、圆 台b，37、定位销，38、螺钉。 图4中芯盒体(30)是芯盒的主体，为铸铝件车削成型，其结构见图5，由图可见，它是用10个M5螺钉将左右两部分组装在一起形成的圆筒状芯盒体，其上方有上法兰(31)，下 方装有下法兰(32)，其内部装有直筋(34)，弧型筋(33)及圆台a(35)，圆台b(36)以及销 钉(37)、螺钉(38)等；上下法兰(31、32)为铸铝件经车削成型，其作用在于形成内精铸模 壳的上、下端口，其结构见图6中之上、下法兰图。弧型筋(33)是车削成型的铝铸件其结构 见图7，由图可见该件截面为梯形。直筋(34)是铸铝件经铣削成形的，截面为梯形，是靠两 个M5螺钉与芯盒体组装在一起的，螺钉帽在芯盒体(30)之外。圆台是铸铝经铣削及钳工 加工而成，其中圆台a为上下底为圆弧形之梯形圆台；圆台b为同上之圆台另外附带有四 个短筋；其中心有M10螺孔用以和外面的芯盒体(30)连接在一起，其详细结构见图7，定位 销(37)及直筋、弧形筋上的螺钉孔见图7。 制内精铸模壳操作过程(a)把芯盒如图4所示组装好；(b)把芯盒放入高温精铸 蜡料锅中，使其充分加热至高温后，捞出芯盒，将其站立在蜡料锅上的地铁格子板上使其上 之蜡油自由滴下，则在芯盒内表剩留一层蜡料；(c)待芯盒冷却至室温，蜡料凝固后，把芯 盒平放在铁板上，把用高纯石墨粉与粘接剂配制的精铸浆料倾入芯盒中，把芯盒在铁板上 来回滚动若干次，使浆料在芯盒内均匀分布一层，再把芯盒站立在精铸浆料槽上之铁格板 上，将多余的浆料滴回到浆料槽中，则在芯盒内表面剩留一层浆料，再在这层浆料上撒布高 纯石墨骨料，待其硬化后，便得一薄层内精铸模壳芯约1. 5mm厚，如上法操作数次便得合适 厚度的精铸模壳。(d)要从芯盒中取出内精铸模壳，需先把芯盒放于开水锅中使其充分加 热，使芯盒上的蜡料充分溶化后取出芯盒，然后依次拆下直筋(34)、弧型筋(33)及两种圆 台(35、36)的锁紧螺钉，拆卸上法兰(31)及两个芯盒体(30)之间的锁紧螺钉(38)，然后取 下两个芯盒体(30)，再从内精铸模壳上取下直筋(5)、弧形筋(4)、圆台a及圆台b，再拆卸 下法兰，便得内精铸模壳。它是一个外表面光洁内表面粗糙的圆筒，外表面上有横竖沟槽及 园坑，以便形成导弹舱体上的加强筋及圆台棋子等，其下方有法兰以便形成精铸模壳的底 模[它是由下法兰(32)形成的]。以上是制作内精铸模壳的过程，下面再说明制作外精铸 模壳的工具及操作过程。 —、图8为制作外精铸模壳的圆筒模具示意图。图中(39)圆筒模型体；(40)底 板；(41)为顶盖板；(42)提手。 图8中圆筒模型体(39)为铝板焊接后经过精车加工而成，其外径小与导弹舱段 直径一致；底板(40)为圆铝板与圆筒模型体(39)焊接在一起；顶盖板(41)为一个圆铝板， 用螺钉与圆筒模型体(39)组装在一起；提手(42)是焊在顶盖板(41)之上的铝棍手把，以 便于提起该圆筒模型。 二、外精铸模壳制作过程(a)把图8所示的模具，放入熔蜡锅中，待其充分加热 后，取出将其站立在熔蜡锅上之铁格板上，使蜡油自由滴下，然后再将其水平放在一铁板上 加以滚动，使其外表面均匀剩余一层2mm左右蜡膜。待蜡膜凝固后，将其蘸入同上之石墨粉 调制的浆料中，用提手(42)提起后使其站立在浆料槽上的铁格板上，则其表面剩留一层浆 料，然后再将其平放在铁板上，来回滚动几次，使其浆料更为均匀。再在其上撒布一层高纯 石墨骨料，待其凝结后，则得一薄层外精铸模壳。(b)在此基础上，同样操作数次，则得厚度 适合的外精铸模壳；(c)每一层硬化后，将其外表面打磨修整，使其外表面形成较规则的圆 筒型；(d)最后将其放入开水锅中，待其充分加热后，腊膜充分熔化，从锅中取出，在工作台 上从模型上取下顶盖板(41)，最后从下而上取下外精铸模壳。它是一个内表面光洁、外表面粗糙的圆筒状模壳(其上下均无法兰)。 三、内外精铸模壳的组装把内精铸模壳的下法兰涂以浆料，把外精铸模壳套在其 上，并调节两者之间隙，使之均匀一致，使外精铸模壳与内精铸模壳的下法兰粘接在一起， 则得一个完整精铸模壳。 四、浇注过程把上述完整模壳安装在图3所示的设备的引出底模(25)顶端上，就 组成图3的设备，其浇铸操作过程亦如实施例1所述，在此不予赘述。 由上可知，本实用新型的两个实施例采用了不同的铸型第一实施例采用的是冷 加工成型的高密度石墨模壳；第二实施例采用的是浆料在金属模具上成型的石墨壳型。以 上两种铸型简称模壳。 参考文献《金属凝固原理》第七章胡汉起主编机械工业出版社。
权利要求钛合金导弹舱体定向凝固精密铸造设备，由惰性气体保护室及其内部的感应凝壳炉、精密铸造模壳、引出底模、内外加热炉、内外喷水冷却器组成，操作时引出底模带动精密铸造模壳由加热炉区以一定速度下降到冷却区，实现定向凝固，其特征在于其精密铸造模壳是由分别制作的内外模壳组装在一起制成的。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于其模壳是用压制的石墨坯料经机械加工 制成的。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于其模壳是用精铸浆料在金属模具上成型 制成的。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于其模壳内外均设置有加热炉，以便保证其 温度在合金熔点之上有2(TC的过热度。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于在加热炉之下设置有外喷水环及内喷水 器，以保证铸件快速定向凝固。
6. 根据权利要求l所述的设备，其特征在于加热炉及冷却器之间由耐火毡垫隔离开。
7. 根据权利要求l所述的设备，其特征在于内外模壳是安装在引出底模之上，当后者 以一定速度下降时，两者以同样的速度进入冷却区。
8. 根据权利要求l所述的设备，其特征在于内喷水器(23)、中心固定支柱(17)以及下面的通水管是焊接在一起的，安装在引出底模(25)之中心。
专利摘要本实用新型涉及到一种铸造设备，特别是涉及到钛合金导弹舱体的铸造设备。我国的钛合金导弹舱体在机械性能及冶金质量方面尚有较大差距，本实用新型提出“钛合金导弹舱体定向凝固铸造设备”，目的在于改变其凝固方式，使其结晶结构由等轴晶改变为细而长的柱状晶，达到提高机械性能及冶金质量的目的。实现本实用新型的关键在于模壳的制作，本工作用精加工的高密度石墨模壳及在精加工的金属模具上成型的模壳解决了此问题。其精密铸造模壳是由分别制作的内外模壳组装在一起制成的。
文档编号B22D27/04GK201442085SQ20082017686
公开日2010年4月28日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者李忠炎 申请人:李忠