一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法
【专利摘要】本发明公开的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，具体包括型壳制备、在真空凝壳炉内进行熔炼及离心浇注、清理型壳以及去除铸造浇道和铸件表面污染层、对铸件进行热等静压处理、补焊以及对补焊后的铸件进行修磨和真空去应力退火这七个步骤，本发明的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法解决了现有的离心铸造由于组炉方式、整体浇注方法不合理使得钛合金零件缺陷多以及成品率低的问题。本发明的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法能够浇注出成品率高的钛及钛合金铸件，并且浇注的承压零件不需单独设计补缩冒口，避免了由于清理补缩冒口而造成破坏铸件表面质量，浇注过程中不需采用大的“金属压头”实现铸造填充，极大的节省了原材料。
【专利说明】一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛合金铸造【技术领域】，具体涉及一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法。
【背景技术】
[0002]钛及钛合金以其优异的性能广泛应用于航空、航天、化工、医疗等众多领域，钛及钛合金铸造的产品也日益受到众多行业的使用，从而逐步取代原先的产品材料。
[0003]钛及钛合金密度稍高于铝，远低于钢、铁、铜等金属。根据金属密度、熔点、化学性质的不同，在铸造过程中，金属铝可以采用压铸的方式实现，而钢、铁、铜等金属可以采用大气下单组型壳重力铸造的方式实现。由于钛合金在液体状态下不能与空气接触，否则将会出现严重氧化现象，影响钛合金整体性能，所以在熔炼、铸造过程只能采用真空熔炼铸造方式实现。钛合金在真空状态下，采用重力方式浇注，由于材料密度小，在浇注过程中必须采用大的“金属压头”进行铸造，严重浪费原材料，且铸造效果也不太理想。而且对一些薄壁零件更容易产生铸件大面积未能铸满、造成零件报废等问题，由此带来的经济损失非常严重；对一些厚壁承压零件无法增加补缩冒口，造成铸造缺陷比较大，经热等静压后，铸件需要进行大面积补焊、修整，严重影响工作效率。对一些较大的铸造缺陷，热等静压也无法解决铸件内部缺陷问题，并且由于零件形状的不规则，有些缺陷处根本无法补焊，最终导致铸件报废。
[0004]因此，钛及钛合金的离心铸造如果整体浇注方法、组炉方式不合理，对厚壁零件只能稍微改善铸造缺陷，但是对很多薄壁零件依然会产生不能完全铸满的现象，造成零件报废，成品率低等问题。因此，采用合理的离心铸造工艺对提高钛合金非回转体薄壁零件、复杂结构零件铸造成品率以及大幅度减少并减小承压零件的铸造缺陷意义重大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，解决了现有的钛及钛合金离心铸造过程中存在的由于组炉方式、整体浇注方法不合理使得钛合金零件缺陷多以及成品率低的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，具体包括如下步骤:
[0007]第一步，选择铸造浇道，在组树时将蜡模均匀地粘接在浇道上，然后将粘接好的蜡模进行型壳模型的制作再经过脱蜡、焙烧处理后得到型壳；
[0008]第二步，将焙烧好的型壳在不低于950°C的温度中取出，选择偶数个型壳对称摆放到圆柱形筒体的型壳工装中，然后向型壳工装中倒入Al2O3耐火球填充进行型壳固定，最后盖上型壳工装的上盖将其装入真空凝壳炉中进行熔炼；
[0009]第三步，在原料熔炼结束前三分钟启动离心盘，熔炼结束后在5s内进行离心浇注，浇注完成后离心盘继续转动5min?7min后停止，待铸件温度冷却到300°C以下出炉；
[0010]第四步，将第三步中出炉的铸件的型壳清理完毕，然后依次去除铸造浇道、去除铸件表面污染层得到铸件产品；
[0011]第五步，对第四步中得到的铸件产品进行热等静压处理并随炉冷却至300°C以下出炉；
[0012]第六步，对经过热等静压处理后的铸件产品的缺陷进行补焊；
[0013]第七步，对补焊后的铸件产品的焊接处表面及铸造浇道进行修磨，然后进行真空去应力退火，最终得到合格的钛或钛合金成品。
[0014]本发明的特点还在于，
[0015]第一步中铸造浇道为“土”字形浇道或者“丄”字形浇道。
[0016]第二步中倒入型壳工装中的Al2O3耐火球的温度在500°C，其直径在7mm?9mm之间。
[0017]真空凝壳炉内的真空度为6.7 X 1-1Pa?6.7 X 10Pa,熔炼电流不小于24000A，熔炼过程中单位电流密度为0.65?0.75。
[0018]第三步中离心盘根据铸件壁厚的不同选择不同的转速:
[0019]对于薄壁铸件,离心盘的转速为320r/min?350r/min ；
[0020]对于非薄壁铸件,离心盘的转速不小于200r/min ；
[0021]其中，薄壁铸件的壁厚不大于3mm,非薄壁铸件的壁厚大于3_。
[0022]第四步中去除浇道的方法为氧气一乙炔火焰切割法或砂轮片切割法，去除铸件表面污染层的方法为喷砂处理,喷砂气压为0.6MPa。
[0023]热等静压针对工业纯钛的热等静压温度为850°C，压力为10MPa?120MPa，时间为 2.0h ?2.5h ；
[0024]热等静压针对ZTC4的热等静压温度为920°C，压力为10MPa?120MPa，时间为
2.0h ?2.5h0
[0025]第六步中补焊的具体过程为:将需要补焊的部位和焊丝用丙酮或酒精清洗干净，然后根据铸件产品的尺寸大小选择真空下焊接或大气下焊接，真空下焊接时在真空氩弧焊箱中对铸件产品进行补焊，真空氩弧焊箱抽真空至6.5Pa以下时冲入氩气直至真空氩弧焊箱中的压力达到一个标准大气压时进行焊接；大气下焊接时则进行氩气保护。
[0026]第七步真空去应力退火的真空度保持在6.7 X 10--6.7X 10_2Pa之间。
[0027]本发明的有益效果是:本发明的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法解决了现有的钛及钛合金离心铸造过程中存在的由于组炉方式、整体浇注方法不合理使得钛合金零件缺陷多以及成品率低的问题。本发明的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法能够浇注出成品率较高的钛及钛合金铸件，并且浇注的承压零件不需单独设计补缩冒口，避免了由于清理补缩冒口而造成破坏铸件表面质量，浇注过程中不需采用大的“金属压头”实现铸造填充，极大的节省了钛合金原材料。
【具体实施方式】
[0028]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0029]实施例1
[0030]本实施例采用离心浇注整体铸造的方法制备T1-6A1_4V钛合金框体铸件，具体包括以下步骤:
[0031]第一步，选择“丄”字形浇道，在组树时将I个蜡模粘接在浇道上，然后对蜡模进行型壳模型的制作，再经过脱蜡、焙烧处理后得到型壳；
[0032]第二步，将焙烧好的型壳在950°C的温度中取出，根据熔炼的钛合金的重量和工装空间位置，确定型壳摆放数量为4个并将其对称摆放到圆柱形筒体的型壳工装中，型壳摆放完毕后，将加热到500°C、直径为7mm的Al2O3耐火球倒入型壳工装中填充进行型壳固定，最后盖上型壳工装的上盖将其装入真空凝壳炉中进行熔炼；
[0033]第三步，保持真空凝壳炉的真空度6.7 X KT1Pa?6.7 X 10Pa,熔炼电流为24000A，单位电流密度为0.65，根据原料的质量和真空凝壳炉的熔炼速率算出完全熔炼需要的时候并在熔炼结束前三分钟开动离心盘，离心盘的转速调节在260r/min，熔炼结束后在5s内进行浇注，浇注完成后离心盘继续转动5min后停止，待铸件温度冷却到300°C出炉；
[0034]第四步，清理第三步中出炉铸件的型壳，用氧气一乙炔火焰切割方法去除铸件浇道，用喷砂方法去除钛合金铸件表面污染层，得到铸件产品，喷砂气压为0.6Mpa ；
[0035]第五步，对第四步中经过处理的铸件进行热等静压处理，具体热等静压的参数为:温度920°C，压力lOOMPa，时间2.0小时，结束热等静压处理后随炉冷却至300°C出炉；
[0036]第六步，热等静压后对铸件缺陷进行补焊，将需要补焊部位及附近用丙酮清洗干净，焊丝也用丙酮清洗，选择大气下补焊并充分进行氩气保护，补焊完毕后继续通氩气保护，直到铸件冷却为止；
[0037]第七步，对补焊后的铸件的焊接处进行表面修磨和铸造浇道修磨，然后进行真空去应力退火，其真空度保持在6.7X 10_3Pa，最终获得合格的T1-6A1-4V钛合金框体铸件。
[0038]本实施例的T1-6A1-4V钛合金框体铸件，铸件总长度535mm，总宽度390mm，总高度150mm,铸件壁厚6mm，加强筋壁厚4mm，单重为18kg，每次浇注铸件组炉数量为4个，成品率100%。钛合金液体能够实现在复杂结构的型壳中充分填充均匀。经热等静压处理后补焊工作量小，提高生产效率。浇注过程中不需采用大的“金属压头”实现铸造填充，极大的节省了钛合金原材料。
[0039]实施例2
[0040]本实施例采用离心浇注整体铸造的方法浇注用于出口国外的工业纯钛四通阀门，具体包括以下步骤:
[0041 ] 第一步，选择“丄”字形浇道，在组树时将蜡模均匀粘接在浇道上，然后对粘接好的蜡模进行型壳模型的制作，再经过脱蜡、焙烧处理后得到型壳；
[0042]第二步，将焙烧好的型壳在970°C的温度中取出，根据熔炼的纯钛的重量和工装空间位置，确定型壳摆放数量为6个并将其对称摆放到圆柱形筒体的型壳工装中，型壳摆放完毕后，将加热到500°C、直径为8mm的Al2O3耐火球倒入型壳工装中填充进行型壳固定，最后盖上型壳工装的上盖将其装入真空凝壳炉中进行熔炼；
[0043]第三步，保持真空凝壳炉的真空度为6.7 X KT1Pa?6.7 X 10Pa,熔炼电流为26000A，单位电流密度为0.7，根据原料的质量和真空凝壳炉的熔炼速率算出完全熔炼需要的时候并在熔炼结束前三分钟开动离心盘，离心盘的转速调节在200r/min，熔炼结束后在5s内进行浇注，浇注完成后离心盘继续转动6min后停止，待铸件温度冷却到270°C时出炉；
[0044]第四步，清理第三步中出炉铸件的型壳，用氧气一乙炔火焰切割方法去除铸件浇道，用喷砂方法去除钛合金铸件表面污染层，喷砂气压为0.6Mpa，得到铸件产品；
[0045]第五步，对第四步中经过处理的铸件进行热等静压处理，具体热等静压的参数为:温度850°C，压力llOMPa，时间2.2小时，结束热等静压处理后随炉冷却至260°C出炉；
[0046]第六步，热等静压后对铸件缺陷进行补焊，将需要补焊部位及附近用酒精清洗干净，焊丝也用酒精清洗，选择在真空氩弧焊箱中对铸件进行补焊，真空氩弧焊箱抽真空至
6.5Pa时充入氩气，当真空氩弧焊箱氩气压力达到一个标准大气压时进行焊接；
[0047]第七步，对补焊后的铸件的焊接处进行表面修磨和铸造浇道修磨，然后进行真空去应力退火，其真空度保持在2.4X10_2Pa，最终获得合格的工业纯钛四通阀门铸件。
[0048]本实施例最终制得的用于出口国外的工业纯钛四通阀门铸件，铸件最薄壁厚5mm，最厚壁厚22mm，单重为6kg，每次浇注铸件组炉数量为12个，成品率100%。浇注的铸件不需单独设计补缩冒口，避免了由于清理补缩冒口而造成破坏铸件表面质量的现象。经热等静压处理后补焊工作量小，提高生产效率。浇注过程中不需采用大的“金属压头”实现铸造填充，极大的节省了钛合金原材料。
[0049]实施例3
[0050]本实施例采用离心浇注整体铸造的方法制造T1-6A1_4V高尔夫球头铸件，具体包括以下步骤:
[0051 ] 第一步，选择“土”字形浇道，在组树时将蜡模均匀粘接在浇道上，然后对粘接好的蜡模进行型壳模型的制作，再经过脱蜡、焙烧处理后得到型壳；
[0052]第二步，将焙烧好的型壳在960°C的温度中取出，根据熔炼的钛合金的重量和工装空间位置，确定型壳摆放数量为8个并将其对称摆放到圆柱形筒体的型壳工装中，型壳摆放完毕后，将加热到500°C、直径为9mm的Al2O3耐火球倒入型壳工装中填充进行型壳固定，最后盖上型壳工装的上盖将其装入真空凝壳炉中进行熔炼；
[0053]第三步，保持真空凝壳炉的真空度为6.7 X KT1Pa?6.7 X 10Pa,熔炼电流为25000A，熔炼电流密度为0.75，根据原料的质量和真空凝壳炉的熔炼速率算出完全熔炼需要的时候并在熔炼结束前三分钟开动离心盘，离心盘的转速调节在330r/min，熔炼结束后在5s内进行浇注，浇注完成后离心盘继续转动7min后停止，待铸件温度冷却到270°C时出炉；
[0054]第四步，清理第三步中出炉铸件的型壳，用氧气一乙炔火焰切割方法去除铸件浇道，并修磨多余浇道，用0.6Mpa气体喷砂方法去除钛合金铸件表面污染层，得到合格的T1-6A1-4V高尔夫球头铸件；
[0055]根据对钛及钛合金铸件质量要求的不同，其具体的制备步骤也有差异，对于航空、航天、军用钛合金铸件和出口国外的钛合金铸件需要进行热等静压处理以及真空去应力退火处理，而对于一般民用的钛及钛合金铸件则不需要进行热等静压处理及真空去应力退火处理。
[0056]本实施例制得的T1-6A1_4V高尔夫球头铸件，铸件壁厚为0.8mm,单重为160g，每次浇注铸件组炉数量为96个，浇注成品率达到90%以上。浇注过程中不需采用大的“金属压头”实现铸造填充，极大的节省了钛合金原材料。
【权利要求】
1.一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 第一步，选择铸造浇道，在组树时将蜡模均匀地粘接在浇道上，然后将粘接好的蜡模进行型壳模型的制作再经过脱蜡、焙烧处理后得到型壳； 第二步，将焙烧好的型壳在不低于950°c的温度中取出，选择偶数个型壳对称摆放到圆柱形筒体的型壳工装中，然后向型壳工装中倒入Al2O3耐火球填充进行型壳固定，最后盖上型壳工装的上盖将其装入真空凝壳炉中进行熔炼； 第三步，在原料熔炼结束前三分钟启动离心盘，熔炼结束后在5s内进行离心浇注，浇注完成后离心盘继续转动5min?7min后停止，待铸件温度冷却到300°C以下出炉； 第四步，将第三步中出炉的铸件的型壳清理完毕，然后依次去除铸造浇道、去除铸件表面污染层得到铸件产品； 第五步，对第四步中得到的铸件产品进行热等静压处理并随炉冷却至300°C以下出炉； 第六步，对经过热等静压处理后的铸件产品的缺陷进行补焊； 第七步，对补焊后的铸件产品的焊接处表面及铸造浇道进行修磨，然后进行真空去应力退火，最终得到合格的钛或钛合金成品。
2.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述第一步中铸造浇道为“土”字形浇道或者“丄”字形浇道。
3.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述第二步中倒入型壳工装中的Al2O3耐火球的温度为500°C，其直径在7mm?9mm之间。
4.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述真空凝壳炉内的真空度为6.7 X KT1Pa?6.7 X 10°Pa，熔炼电流不小于24000A，熔炼过程中单位电流密度为0.65?0.75。
5.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述第三步中离心盘根据铸件壁厚的不同选择不同的转速: 对于薄壁铸件，离心盘的转速为320r/min?350r/min ； 对于非薄壁铸件，离心盘的转速不小于200r/min ； 其中，薄壁铸件的壁厚不大于3mm,非薄壁铸件的壁厚大于3_。
6.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述第四步中去除浇道的方法为氧气一乙炔火焰切割法或砂轮片切割法，去除铸件表面污染层的方法为喷砂处理,喷砂气压为0.6MPa。
7.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述热等静压针对工业纯钛的热等静压温度为850°C，压力为10MPa?120MPa，时间为2.0h?2.5h ； 所述热等静压针对ZTC4的热等静压温度为920°C，压力为10MPa?120MPa，时间为2.0h ?2.5h0
8.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述第六步中补焊的具体过程为:将需要补焊的部位和焊丝用丙酮或酒精清洗干净，然后根据铸件产品的尺寸大小选择真空下焊接或大气下焊接，真空下焊接时在真空氩弧焊箱中对铸件产品进行补焊，真空氩弧焊箱抽真空至6.5Pa以下时冲入氩气直至真空氩弧焊箱中的压力达到一个标准大气压时进行焊接； 大气下焊接时则进行氩气保护。
9.如权利要求1所述的一种钛及钛合金离心铸造整体浇注的方法，其特征在于，所述第七步真空去应力退火的真空度保持在6.7 X 10--6.7X 10_2Pa之间。
【文档编号】B22D21/06GK104209487SQ201410449134
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】张勇锼, 张润华 申请人:张勇強