本发明属于熔模精密铸造技术领域，涉及对一种低表面粗糙度钛合金熔模精密铸件及其熔模的制备方法的改进。
背景技术：
钛合金精密铸件主要采用熔模精密铸造方法制备，采用易熔材料制备熔模，然后在熔模表面包覆若干层耐火材料制成型壳，将脱除熔模后的型壳焙烧，获得稳定的型壳，然后利用型壳进行铸件浇注。目前采用熔模精密铸造方法制备的钛合金铸件表面粗糙度介于3.2～6.3μm之间。由于钛合金铸件主要被用于航空航天领域，其对铸件的表面粗糙度、尺寸精度和使用可靠性有较高的要求，其中铸件的表面粗糙度与产品的配合性质、耐磨性、疲劳强度、接触刚度、振动和噪声等有密切的关系，对产品的使用寿命和可靠性有重要的影响，因而要求钛合金铸件表面粗糙度要低于3.2μm以下，对关键铸件或者铸件的关键区域要求表面粗糙度甚至要求更低，而采用常规的熔模精密铸造方法无法实现。
由于熔模精密铸造的第一个工序就是制造熔模，要获得表面光洁度和尺寸精度高的铸件，首先熔模应具有较高的表面光洁度和尺寸精度。其次，铸件是利用型壳浇注制备而成，因而型壳内腔的表面光洁度也影响铸件的表面粗糙度。由于铸件在成型后，内部不可避免会存在冶金缺陷，需要通过补焊修复的方法消除，对铸件表面也有较大的影响，因而需要降低铸件一次成型的缺陷率。由于熔模精密铸造工序长，各工序都对表面粗糙度有影响，也要进行相关工序的过程表面粗糙度控制，才能实现铸件表面粗糙度降低。同时为进一步降低铸件表面粗糙度，需对铸件表面进行特殊处理，结合多种工艺效果，逐级降低铸件表面粗糙度，使铸件表面粗糙度实现低于2μm以下。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种低表面粗糙度钛合金熔模精密铸件及其熔模的制备方法。
本发明的技术方案是：降低钛合金熔模精密铸件表面粗糙度的制备方法及其熔模制备方法，所述制备方法用于低表面粗糙度的钛合金熔模精密铸件及其熔模的制备，其中包含铸件的熔模制备步骤，熔模制备按下述步骤进行：
1.1熔模制备模拟，包含下述步骤：
1.1.1根据铸件的三维模型，设计熔模模型和模具模型；
1.1.2采用数值模拟软件进行面网格和体网格划分，形成可用于模拟的带网格的熔模模型和模具模型，所述的面网格和体网格的边长≤5mm；
1.1.3设定熔模模拟边界参数；
1.1.4设定熔模制备工艺参数，其中模具预热温度参数介于25～50℃之间，熔模注射温度介于55～85℃之间，熔模注射压力介于0.5～2mpa之间，熔模保压时间介于150s～500s之间，评价不同参数条件下，熔模表面流痕数量和尺寸，并进行工艺参数优化；
1.1.5根据步骤1.1.4的模拟结果，观察熔模充型过程中，熔模在模具中的流动方向和充型顺序，通过改变模具注射口的设计位置，来改变熔模的流动和充型顺序，减少熔模紊流，平稳顺序充型，确定模具注射口的设计位置及最终的模具设计方案；
1.1.6在步骤1.1.5确定的模具的设计方案的基础上，重复进行步骤1.1.4，根据步骤1.1.4的模拟结果预测熔模缺陷产生位置，通过调整步骤1.1.4的熔模制备工艺参数，将缺陷率降低10％以上。
1.2制备熔模，根据步骤1.1制定的熔模模具和熔模制备工艺参数，制备熔模。
所述降低钛合金熔模精密铸件表面粗糙度的制备方法及其熔模制备方法，还包括熔模修复，对于熔模存在表面缺陷的位置进行局部修复。
所述的熔模修复包含下述步骤：
3.1将熔模需修复的位置修平；
3.2用砂纸打磨熔模修复位置，打磨时根据砂纸的粒度分三级进行，采用不同型号的砂纸对熔模表面修复区进行逐级打磨，先粗后细；
3.3清洗熔模。
步骤3.1中，将熔模表面需修复的区域采用刷涂修复模料或者多次滴落修复模料的方式进行修复，使熔模表面的凹陷区域被修复模料填满或者熔模表面的凸起区域微熔化，然后将该熔模表面需修复的区域修平。
步骤3.2中，熔模修复所用砂纸型号为：第一级砂纸型号500≤m1<800目，第二级砂纸型号800≤m2<1200目，第三级砂纸型号1200≤m3<2000目。
步骤3.3熔模清洗的具体步骤为：先采用清水浸泡，然后用有机试剂浸泡，最后用清水冲洗。
清水浸泡采用超声振动方式。
一种降低熔模精密铸件表面粗糙度的制备方法，其具体步骤如下：
8.1熔模制备，根据权利要求1所述熔模制备步骤进行；
8.2铸件浇注系统设计，采用数值模拟的方法对铸件充型凝固过程进行模拟分析，设计铸件的浇注系统；
8.3带浇注系统的熔模制备，根据步骤8.2中数值模拟设计的浇注系统方案，完成熔模和浇注系统组合；采用与熔模修复相同的方式进行带浇注系统的熔模表面缺陷修复；
8.4型壳制备，利用带浇注系统的熔模进行型壳制备；
8.5铸件浇注，对型壳进行预热，然后进行铸件浇注，制备出铸件；
8.6一次吹砂，对去除浇注系统后的铸件进行表面吹砂处理；采用30～80目的砂；
8.7酸洗，对一次吹砂后的铸件进行工序处理，然后进行表面酸洗，酸洗后铸件厚度的去除量a≤5mm；
8.8二次吹砂，对酸洗后的铸件进行表面吹砂处理；采用80～250目的砂，分多次、多级别由粗到细吹砂。
步骤8.2铸件浇注系统设计中，利用数值模拟软件模拟铸件充型凝固过程，并对铸件缺陷进行预测，设计的浇注系统经过数值模拟预测的缺陷率需低于8％。
步骤8.5铸件浇注中，铸件浇注前型壳的预热温度为100～500℃，保温2～8小时。
步骤8.5铸件浇注中，铸件浇注电流20～50ka，浇注电压50～100v，熔炼真空度≤7.0pa，铸件冷却时间≥2小时。
步骤8.7酸洗中，酸洗溶液为hno3+hf+添加剂的混合溶液。
步骤8.8二次吹砂中，分三级粒度进行吹砂，每级粒度至少进行吹砂一次；其中第一级粒度为80≤n1<120目，第二级粒度为120≤n2<200目，第三级粒度为200≤n3<250目；每级粒度吹砂后，检测铸件表面粗糙度，根据表面粗糙度数值及合格率，判断下一级的粒度，直至铸件表面粗糙度符合要求。
对铸件表面吹砂后的区域进行检测，取点位置包括吹砂区域的外部、中部和内部，取点的数量根据吹砂区域大小决定，随机取点；取点位置的表面粗糙度数值符合当前级别粒度对应的表面粗糙度数值时，为合格，统计取点位置的合格率，当合格率≥70％时，可进行下一级别的粒度；
当统计的取点位置的表面粗糙度数值符合下一级粒度对应的表面粗糙度数值并且合格率≥70％时，可进行越级吹砂，直至表面粗糙度达到要求。
80≤n1<120目吹砂后表面粗糙度ra≤3μm，120≤n2<200目吹砂后表面粗糙度ra≤2.5μm，200≤n3<250目吹砂后表面粗糙度ra≤2μm。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的钛合金熔模精密铸件的制备方法，降低了钛合金铸件及其熔模的表面粗糙度，常规钛合金熔模精密铸件的表面粗糙度介于3.2μm～6.3μm之间，而本发明方法制备的钛合金熔模精密铸件的表面粗糙度ra≤2μm，并且铸件缺陷率降低30％以上，大大提高了钛合金精密铸件的质量和使用可靠性。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
一种降低钛合金熔模精密铸件表面粗糙度的制备方法及其熔模制备方法，该方法包括下述步骤：熔模制备模拟、熔模制备、熔模修复、铸件浇注系统设计、带浇注系统的熔模制备、型壳制备、铸件浇注、一次吹砂、酸洗、二次吹砂。制备方法如下：
1熔模制备
1.1熔模制备模拟，包含下述步骤：
1.1.1根据铸件的三维模型，设计熔模三维模型和模具三维模型；
1.1.2采用数值模拟软件进行面网格和体网格划分，形成可用于模拟的带网格的熔模模型和模具模型，所述的面网格和体网格的边长≤5mm，该边长的选取精度要求能够保障熔模模型精度，以最终保障熔模表面粗糙度的要求；
1.1.3设定熔模模拟边界参数；
1.1.4设定熔模制备工艺参数，评价不同参数条件下，熔模表面流痕的数量和尺寸。其中模具预热温度参数介于25～50℃之间，熔模注射温度介于55～85℃之间，熔模注射压力介于0.5～2mpa之间，熔模保压时间介于150s～500s之间，以具有较少的表面流痕；
1.1.5根据步骤1.1.4的模拟结果，观察熔模充型过程中，熔模在模具中的流动方向和充型顺序，通过改变模具注射口的设计位置，来改变熔模的流动和充型顺序，减少熔模紊流，平稳顺序充型，并制定模具注射口的设计位置及模具的设计方案；熔模模具的设计方案主要是依据熔模的结构，但熔模注射口的选择对熔模在模具中的流动具有较大的影响，紊流易形成卷气和表面缺陷，因而通过模拟实现熔模顺序充型，有利于减少熔模表面和内部缺陷，减少熔模表面修复，提高熔模表面光洁度；
1.1.6在步骤1.1.5确定的模具的设计方案的基础上，重复进行步骤1.1.4，根据步骤1.1.4的模拟结果预测熔模缺陷产生位置，通过调整步骤1.1.4的熔模制备工艺参数，将缺陷率降低10％以上。通过降低熔模缺陷率，减少对熔模的修复和对熔模表面的破坏。
1.2制备熔模，根据步骤1.1制定的熔模模具和熔模制备工艺参数，制备熔模；
1.3熔模修复，对于熔模存在表面缺陷的位置进行局部修复，包括下述步骤：
1.3.1将熔模需修复的位置修平；
将熔模表面需修复的区域采用刷涂修复模料或者多次滴落修复模料的方式进行修复，使熔模表面的凹陷区域被修复模料填满或者熔模表面的凸起区域微熔化，然后将该熔模表面需修复的区域修平。
熔模表面需修复的区域的大小以表面凹陷区域或表面凸起区域的最外侧轮廓为基础，向外延伸一定尺寸，通过控制熔模修复热影响区的大小，避免修复区域过小，修复后会存在修复表面局部凹陷，或者修复区过大，修复表面的热影响区过大，影响熔模表面质量；
1.3.2用砂纸打磨熔模修复位置，打磨时根据砂纸的粒度分三级进行，采用不同型号的砂纸对熔模表面修复区进行逐级打磨，先粗后细，有效保证了熔模修复效果。
熔模修复所用砂纸型号为：第一级砂纸型号500≤m1<800目，第二级砂纸型号800≤m2<1200目，第三级砂纸型号1200≤m3<2000目。熔模表面强度低，较粗的砂纸不仅不能达到打磨熔模表面的作用，反而会划伤熔模表面，提高熔模表面粗糙度。通过对熔模修复砂纸颗粒度的特定逐级选择和设计，可以有效保障熔模修复质量和修复效率。
1.3.3清洗熔模。
熔模清洗的具体步骤为：先采用清水浸泡，然后用有机试剂浸泡，最后用清水冲洗。清水浸泡采用超声振动方式。
2、如权利要求1所述一种降低钛合金熔模精密铸件表面粗糙度的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.1熔模制备，根据权利要求1所述熔模制备步骤进行；
2.2铸件浇注系统设计，采用数值模拟的方法对铸件充型凝固过程进行模拟分析，设计铸件的浇注系统；
利用设计的铸件浇注系统设计进行铸件缺陷预测，设计的浇注系统经过数值模拟预测的缺陷率需低于8％。
2.3带浇注系统的熔模制备，根据步骤2.2中数值模拟设计的浇注系统方案，完成熔模和浇注系统组合；采用与熔模修复相同的方式进行带浇注系统的熔模表面缺陷修复；
2.4型壳制备，利用带浇注系统的熔模进行型壳制备；
2.5铸件浇注，对型壳进行预热，然后进行铸件浇注，制备出铸件；
铸件浇注前型壳的预热温度为100～500℃，保温2～8小时。
铸件浇注电流20～50ka，浇注电压50～100v，熔炼真空度≤7.0pa，铸件冷却时间≥2小时。上述参数的组合选择和控制，有利于铸件表面氧化层厚度的控制，从而提高铸件表面光洁度。
2.6一次吹砂，对去除浇注系统后的铸件进行表面吹砂处理；采用30～80目的砂；从而可以有效保障吹砂效率和效果，同时避免表面出现吹砂损伤。一次吹砂的粒度选择与熔模精铸后钛合金铸件表面形成的氧化层有关，表面氧化层属于脆性层，易在表面形成微裂纹影响表面粗糙度和表面质量，通过一次吹砂，可去大部分氧化层，有利于后工序的进一步去除和控制。
2.7酸洗，对一次吹砂后的铸件进行工序处理，然后进行表面酸洗，酸洗后铸件厚度的去除量a≤5mm；
酸洗溶液为hno3+hf+添加剂的混合溶液。
2.8二次吹砂，对酸洗后的铸件进行表面吹砂处理；采用80～250目的砂，分多次、多级别由粗到细吹砂。
二次吹砂分三级粒度进行吹砂，每级粒度至少进行吹砂一次；其中第一级粒度为80≤n1<120目，第二级粒度为120≤n2<200目，第三级粒度为200≤n3<250目；每级粒度吹砂后，检测铸件表面粗糙度，根据表面粗糙度数值及合格率，判断下一级的粒度，直至铸件表面粗糙度符合要求，以避免吹砂过程中，砂子粒度选取的不合适，对铸件表面质量产生不利影响。
对铸件表面吹砂后的区域进行检测，取点位置包括吹砂区域的外部、中部和内部，取点的数量根据吹砂区域大小决定，随机取点；取点位置的表面粗糙度数值符合当前级别粒度对应的表面粗糙度数值时，为合格，统计取点位置的合格率，当合格率≥70％时，可进行下一级别的粒度；
当统计的取点位置的表面粗糙度数值符合下一级粒度对应的表面粗糙度数值并且合格率≥70％时，可进行越级吹砂，直至表面粗糙度达到要求。
80≤n1<120目吹砂后表面粗糙度ra≤3μm，120≤n2<200目吹砂后表面粗糙度ra≤2.5μm，200≤n3<250目吹砂后表面粗糙度ra≤2μm。二次吹砂通过不同级别的吹砂粒度控制和表面粗糙度检测，在去除钛合金铸件表面脆性氧化层的基础上，进一步提高表面光洁度。
实施例一
一种框形钛合金熔模精密铸件，铸件尺寸为900×310×460mm。铸件的整体表面粗糙度要求小于ra≤2μm。该方法包括下述步骤：熔模制备模拟、熔模制备、熔模修复、铸件浇注系统设计、带浇注系统的熔模制备、型壳制备、铸件浇注、一次吹砂、酸洗和二次吹砂。制备方法如下：
步骤1蜡模制备
1.1蜡模制备模拟，包含下述步骤：
1.1.1根据铸件的三维模型，设计蜡模模型，并初步设计模具模型；
1.1.2采用数值模拟软件进行面网格和体网格划分，形成可用于模拟的带网格的蜡模模型和模具模型，所述的蜡模面网格和体网格的边长3mm，以保证蜡模模拟精度；
1.1.3设定蜡模模拟边界参数；
1.1.4设定不同蜡模制备工艺参数，对蜡模制备过程进行模拟，其中模具预热温度为25～50℃，注射温度为55～85℃，注射压力为0.5～2mpa，保压时间为150s～500s，在上述参数范围内，根据所研制的蜡模结构，选择不同工艺参数组合，评价蜡模表面流痕，进行工艺参数优化。通过模拟，蜡模注射温度选择在65～85℃之间，模具的预热温度控制在30～50℃之间，注射压力为0.9～1.3mpa，保压时间为250s～500s时，蜡模表面的流痕和缺陷较少。
1.1.5根据步骤1.1.4的模拟结果，观察蜡模充型过程中，蜡模在模具中的流动方向和充型顺序，通过改变模具注射口的设计位置，来改变蜡模的流动和充型顺序，减少蜡模紊流，平稳顺序充型，并确定模具注射口的设计位置及最终模具模型设计方案。模具注射口位置的选择对蜡模表面流痕和内部缺陷的产生有较大的影响，通过蜡模模拟选择较优的模具注射口位置，减少蜡模紊流带来的蜡模内部卷气，局部充型不足和表面缺陷，可进一步提升蜡模表面和内部质量。
当注蜡口设计在铸件边长为310×460mm的面中心位置，采用侧面注射的方式，通过模拟可知，蜡液充型过程流程长，经过转折结构后交汇形成紊流。当注蜡口设计在铸件边长为900×460mm的面中心位置，采用底面注射的方式，通过模拟可知，蜡液紊流减少，充型较平稳。因此选择在底面设置注蜡口的方式，并设计模具。
1.1.6在步骤1.1.5确定的模具模型设计方案的基础上，重复进行步骤1.1.4，根据步骤1.1.4的模拟结果预测蜡模缺陷产生位置，进一步调整步骤1.1.4优化后的蜡模制备工艺参数，将缺陷率降低10％以上，确定最终蜡模制备工艺参数。
最终确定的蜡模制备工艺参数为：模具预热的温度为35℃，注射温度为72℃，注射压力为1.1mpa，保压时间为300s。选择此参数，蜡模的缺陷率可降低12％，蜡模缺陷率降低，可减少蜡模修复量及蜡模修复时对原始表面的破坏，有利于提高蜡模的表面质量。
1.2制备蜡模，根据步骤1.1确定的蜡模模具和蜡模制备工艺参数，制备蜡模；
1.3蜡模修复，对于蜡模上存在表面缺陷的位置进行修复，包含下述步骤：
1.3.1将蜡模需修复的位置修平；
将蜡模表面需修复的区域采用刷涂修复模料或者多次滴落修复模料的方式进行修复，使蜡模表面的凹陷区域被修复模料填满或者蜡模表面的凸起区域微熔化，然后将该蜡模表面需修复的区域修平。
蜡模表面需修复的区域的大小以表面凹陷区域或表面凸起区域的最外侧轮廓为基础，向外延伸一定尺寸，通过控制蜡模修复热影响区的大小，避免修复区域过小，修复后会存在修复表面局部凹陷，或者修复区过大，修复表面的热影响区过大，影响蜡模表面质量；
将蜡模表面需修复的区域采用刷涂修复模料的方式进行修复多次滴落修复模料的方式，使蜡模表面的凹陷区域被修复模料填满或者蜡模表面的凸起区域微熔化，然后将该蜡模表面需修复的区域修平。需修复区域为形状主要为类似圆形和线形的缺陷，并且尺寸较大。
对于类似圆形的缺陷，其直径d>10mm，蜡模表面需修复区域的大小为表面凹陷区域或表面凸起区域的最外侧轮廓向四周延伸15mm；
对于类似线形的缺陷，以线形的短径方向最外轮廓向四周延伸8mm。
1.3.2用砂纸打磨蜡模修复位置，打磨时根据砂纸的粒度分三级进行，采用不同型号的砂纸对蜡模表面修复区进行逐级打磨，先粗后细；
蜡模修复所用砂纸型号为：第一级砂纸型号为600目，第二级砂纸型号介于1000目，第三级砂纸型号介于1500目。蜡模表面强度低，较粗的砂纸不仅不能达到打磨蜡模表面的作用，反而会划伤蜡模表面，提高蜡模表面粗糙度通过对蜡模修复砂纸颗粒度的特定逐级选择和设计，从而可以有效保障蜡模修复质量和修复效率。
1.3.3清洗蜡模。
蜡模清洗的具体步骤为：先采用清水浸泡，然后用有机试剂浸泡，最后用清水冲洗。其中有机试剂采用丙醇和酒精；清水浸泡选择采用超声振动。
步骤2铸件浇注系统设计，采用数值模拟的方法对铸件充型凝固过程进行模拟分析，设计铸件的浇注系统；
利用数值模拟软件模拟铸件充型凝固过程，并对铸件缺陷进行预测，设计的浇注系统经过数值模拟预测的缺陷率需低于8％，具体过程如下：
(1)设定熔炼浇注工艺参数，包括型壳预热温度、浇注温度、离心转速；
(2)对铸件进行充型凝固过程温度场模拟，预测铸件缺陷产生位置；
(3)调整浇冒系统位置和浇注工艺参数，重点减少直径3mm以上缩孔缺陷的数量，或者减少缺陷的尺寸，直至缺陷率低于8％。3mm以上的缩孔缺陷无法通过特殊处理工艺进行无损伤式修复，只能通过破坏表面的方式进行排除修复，对铸件表面粗糙度有较大的影响，因而通过模拟预测并降低缺陷率有利于减少后期铸件缺陷修复，进而提升铸件表面光洁度。
步骤3带浇注系统的蜡模制备，根据步骤2中数值模拟设计的铸件浇注系统方案，完成蜡模和浇注系统组合；采用与蜡模修复相同的方式进行带浇注系统的蜡模表面缺陷修复；
对蜡模组焊浇注系统的位置进行表面修复，将该区域采用多次滴落修复模料的方式进行修复，使蜡模表面的凹陷区域被修复模料填满或者蜡模表面的凸起区域微熔化，然后将该蜡模表面需修复的区域修平。修复区域向外延伸10mm。
蜡模修复所用砂纸型号为：第一级砂纸型号为600目，第二级砂纸型号介于1000目，第三级砂纸型号介于1500目。
步骤4型壳制备，利用带浇注系统的蜡模进行型壳制备；
步骤5铸件浇注，对型壳进行预热，然后进行铸件浇注，制备出铸件；
铸件浇注前型壳的预热温度为120℃，保温2小时。
根据铸件的结构和重量，铸件浇注电流20ka，浇注电压50v，熔炼真空度≤6.0pa，铸件冷却时间5小时，上述参数的组合选择和控制，有利于铸件表面氧化层厚度的控制，从而提高铸件表面光洁度。
步骤6一次吹砂，对去除浇注系统后的铸件进行表面吹砂处理；采用60目的砂；
可在铸件表面上喷涂钛合金玻璃润滑剂，改善吹砂效果。
砂料采用石英砂。一次吹砂的压力为1mpa，从而可以有效保障吹砂效率和效果，同时避免表面出现吹砂损伤。
步骤7酸洗，对一次吹砂后的铸件进行工序处理，后进行表面酸洗，酸洗后铸件厚度的去除量4mm。酸洗溶液为hno3+hf+添加剂的混合溶液。
步骤8二次吹砂，对酸洗后的铸件进行表面吹砂处理；采用80～250目的砂，分多次、多级别由粗到细吹砂；
二次吹砂中，分三级粒度进行吹砂，每级粒度至少进行吹砂一次；其中80目为第一级粒度，160目为第二级粒度，200目为第三级粒度；每级粒度吹砂后，检测铸件表面粗糙度，根据表面粗糙度数值及合格率，判断下一级的粒度，直至铸件表面粗糙度符合要求。
80～120目吹砂后表面粗糙度≤3μm，120～200目吹砂后表面粗糙度≤2.5μm，200～250目吹砂后表面粗糙度≤2μm。
第一级吹砂后，对铸件表面吹砂后的区域进行检测，取点位置包括吹砂区域的外部、中部和内部，取点的数量根据吹砂区域大小决定，随机取点；取点位置的表面粗糙度数值符合当前级别粒度对应的表面粗糙度数值时，为合格，统计取点位置的合格率，此时合格率为82％，可进行第二级别的粒度吹砂；
第二级吹砂后，对铸件表面吹砂后的区域进行检测，取点位置包括吹砂区域的外部、中部和内部，取点的数量根据吹砂区域大小决定，随机取点；取点位置的表面粗糙度数值符合当前级别粒度对应的表面粗糙度数值时，为合格，统计取点位置的合格率，此时合格率为76％，可进行第三级别的粒度吹砂，直至表面粗糙度达到要求。经检测，当表面粗糙度≤2μm时停止吹砂。
二次吹砂步骤中，砂料采用玻璃珠、碳化硅、棕刚玉、石英砂中的一种或几种。二次吹砂的吹砂压力为2mpa。