钛合金金属型铸造工艺研究.pdf

·454· 垂急帅蔫 May 2016V01．65 No．5钛合金金属型铸造工艺研究姜延亮1，刘鸿羽2，马志毅2，娄宏伟2(1．哈尔滨东安发动机(集团)有限公司，黑龙江哈尔滨150066；2．沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022)摘要：对于薄壁钛合金铸件，金属型工艺与石墨型工艺以及陶瓷型工艺相比，在铸型使用寿命、尺寸精度以及工艺操作性上具有一定的优势。文中将金属型与陶瓷涂层结合，探究薄壁钛合金铸件的金属型铸造工艺。试验过程中选择多种金属型材料涂覆陶瓷涂层，研究其与钛液的界面反应，发现涂覆钇稀土涂层的灰铸铁铸型浇注的钛试样表面更加平整，金属型与钛液反应较弱，没有形成明显的反应层，并且在一定程度上阻碍了金属型元素扩散到钛液当中。同时，本试验设计了合理的金属型模具，确定了合理的离心浇注参数，浇注出了完整的薄壁钛铸件，铸件表面均无裂纹、冷隔等缺陷，化学成分、力学性能等各项指标均达到了使用要求。关键词：钛合金；金属型；薄壁中图分类号：TG244．2 文献标识码：A 文章编号：1001—4977(2016)05—0454—05Research of Metal Mold Casting Technique for TitaniumJL蝌G Yan—lian91，LIU Hong—yu2，MA Zhi—yi2，LOU Hong-wei2(1．Harbin Dongan Engine Corporation Ltd．，Harbin 1 50066，Heilongjiang，China；2．Shenyang Research Institute of Foundry，Shenyang 1 1 0022，Liaoning，China)Abstract：For thin—wall titanium alloy casting,compared with graphite mold technology and ceramic moldtechnology,metal mold technology has some advantages on mould service life．dimensional accuracy andoperational process．Combining metal mould and ceramic coating,this paper explores the metal mold castingtechnology ofthin—wall titanium alloy casting．The varieties ofmetal mold material coated ceramic coating arechose to study the interfacial reactions with titanium liquid．It iS found that reactions between metal mold andliquid titanium are weak and no obvious reaction layer iS formed．The metal mould iS designed for pilot castingand the centrifugal casting parameters are confirmed．Finally,the qualified casting is poured out without crack,cold lap，the chemical composition,mechanical properties ofcasting meet the technique requirements．Key words：titanium；metal mold；thin．wall目前按照钛合金铸造过程中所采用的造型工艺不同，钛铸件的成形方法可以分为机加石墨型工艺、捣实石墨型工艺、熔模铸造工艺、金属型工艺等几种工艺技术。对于薄壁钛合金铸件，采用石墨型浇注时，由于石墨本身热导率较高，使得钛液凝固过快，带来排气、充型等困难，铸件内部易出现缩孔、缩松以及气孔等缺陷，甚至导致充型不完整，同时表面也易产生冷隔、微裂纹等缺陷。另外，石墨型在浇注过程中容易损坏，使用寿命普遍较短，不利于钛铸件的批量生产。而采用熔模铸造工艺生产此类薄壁钛合金铸件时，蜡模在模具压制以及型壳涂挂过程中易发生变形，影响铸件的尺寸精度，并且制作工艺较为复杂，成形周期较长。铸铁、铸钢等金属的热导率小于石墨，采用此类金属作为铸型时可以降低铸型的激冷作用，与石墨型相比具有一定的优势。金属型铸造作为一种较为传统、简单的铸造方式，很早以前并不被看好应用于钛合金铸造，这主要由于常用的金属型材料熔点往往低于钛合金熔点，不利于生产热容量较大的钛铸件，并且存在工艺上的分型困难，很难制造出复杂的钛铸件，因此，机加石墨型铸造工艺以及熔模铸造工艺往往更多地被采用。但近年来，随着钛合金产品的应用领域日趋广泛，对于钛合金铸件的批量生产能力以及力学性能提出了更高的要求。金属型铸造过程所用的铸型可以多次重复使用，使用寿命更长(10～50次)，成形周期短，有利于批量生产，而且，由于铸型的冷却作用，增大了铸件的冷却速度，细化了内部组织，有利于铸件力学性能的提高。钛合金的金属型铸造方法在非复杂钛合金产品领域具有很广阔的应用前景。美国普·惠公司近期的实践已经表明，金属型工艺不仅适用于钛合金铸造，而且与熔模陶瓷型工艺相比，可以降低成本约40％，减少收稿El期：2016--03—13收到初稿，2016--04--05收到修订稿。作者简介：姜延亮(1975一)，男，硕士，研究方向为精密铸件成形与加工工艺。E-mail：waittry@126．oom万方数据铸造 姜延亮等：钛合金金属型铸造工艺研究 ·455·污染，获得拉伸强度、疲劳强度更好的钛合金铸件，并已应用金属型精铸技术制造了F119发动机的第4、5级高压压气机阻燃钛合金导流叶片【1】。1992年，由美国EMTEC所进行了钛合金排气阀的金属型铸造工艺研究，并分别采用金属型和陶瓷型浇注了试样，金属型浇注的试样的抗拉强度和屈服强度均相对较好【2】。哈尔滨工业大学国防科工委精密热加工重点实验室也使用低碳钢作为DF-413风冷发动机排气阀的铸型材料【2】。1 试验方法钛合金铸造中使用的金属型材料主要包括铸铁(HTl50或HT200)、铸钢(ZG200～400)、铸铜(纯铜或黄铜)以及部分难熔金属(如钨、钼)，其主要物理性能如表1所示，并与石墨材料进行了对比。考虑到成本因素，试验中选择Cu、45Cr、灰铸铁以及ZTC4四种金属材料进行研究，制备薄壁金属试样用铸型，涂覆涂层并研究其与钛合金的反应情况，最终确定合适的铸型材料。金属试样尺寸3 mmx85 mmxl5 mnl，金属型一次可浇注9个试样。涂覆涂层时，选用氧化钇粉料和氧化铝粉料作为涂层耐火粉料，选用醋酸锆作为粘结剂，配置的涂料的性能如表2所示。涂料配置好后，采用喷涂方法将涂料涂覆于金属型表面(如图l所示)，并在1 100℃焙烧2～4 h。浇注时，采用真空自耗电极电弧凝壳熔炼炉并以离心方式(150 r／min)浇注了薄壁钛合金试样。表1石墨以及几种金属材料的主要物理性能131Table 1 Principal physical properties of graphite andseveral kinds of metal表2涂料性能Table 2 Properties of coatings试样浇注后采用电火花线切割方法切取试样，之后镶嵌于酚醛塑料粉中并进行适当的磨光抛光，以去除在线切割过程中电火花引起的氧化层。分析试样时，采用扫描电子显微镜进行试样表层形貌观察，使用其自带的EDs能谱仪进行成分分析。通过界面反应分析确定合适的金属型材料，并试验浇注了薄壁金属铸件。图1涂覆涂层的金属型Fig．1 Metal molds with coating2金属型与钛合金界面反应分析2．1 Cu铸型浇注的钛试样图2为涂覆氧化钇涂层的Cu铸型浇注的试样，左侧为钛基体，表面没有明显的污染层，而CuK X一射线强度线扫描在试样表面出现了轻微波动，厚度约为60 Ixm。图3为涂覆氧化铝涂层的cu铸型浇注的试样，左侧为钛基体，发现表面存在约50仙m的反应层，线扫描发现Al含量和Cu含量在试样表面出现了波动，厚度约为90 Ixm。图2 Cu线扫描像Fig．2 Line scanning of Cu幽3 Cu、AI线扫描像Fig 3 Line scanning of Cu and AI2．2 45C瞒型浇注的钛试样图4为涂覆氧化钇涂层的45Cr铸型浇注的试样，右侧为钛基体，表面没有明显的污染层，线扫描发现CrK X一射线强度线扫描在试样表面出现了变化，厚度约为60¨m。图5为涂覆氧化铝涂层的45Cr铸型浇注的试样，左侧为钛基体，发现表面存在约90 Ixm的反应层，线扫描发现Fe、cr及Al含量在试样表面出现了波动，厚度约为50斗m。万方数据·456· FOUNDRYMay 2016VOI．65 No．5图4 Fe、Cr线扫描像Fig．4 Line scanning ofFe and Cr图5 Fe、(‘r、Al；k扫描f缘Fig 5 Lilac scanning ot、Fe．Cr andAl2．3灰铸铁铸型浇注的钛试样图6为涂覆氧化钇涂层的灰铸铁铸型浇注的试样，右侧为钛基体，表面没有明显的污染层，线扫描发现FeK X一射线强度线扫描在试样表面出现了变化，厚度约为40¨m。图7为涂覆氧化铝涂层的灰铸铁铸型浇注的试样，左侧为钛基体，发现表面存在约65 Ixm的反应层，线扫描发现Fe、Al含量在试样表面出现了波动，厚度约为55 Ixm。图6 Fe线扫描像Fig．6 Line scanning of Fe罔7 Fc、AI线j1描像Fig 7 Line scamfing of Fe and A12．4 ZTC4铸型浇注的钛试样对采用ZTC4铸型浇注的钛试样进行截面分析，铸型元素与基体元素一致。图8为涂覆氧化钇涂层的ZTC4铸型浇注的试样，右侧为钛基体，表面没有明显的污染层。图9为涂覆氧化铝涂层的ZTC4铸型浇注的试样，左侧为钛基体，发现表面存在约50 Ixm的反应层，线扫描发现Al含量在试样表面出现了波动，厚度约为60“m。图8 ZTC4铸型浇注的钛试样(氧化钇涂层)Fig 8 Titanium sample cast with ZTC4 mold(Yttria coating)图9 A1线扫描像Fig 9 Line scanning ofAl2．5试样表面粗糙度分析对铸件表面进行粗糙度分析，其中喷涂Y20，材料的灰铸铁金属型浇注的铸件R。为4．0“m(图10a)，喷涂Y20，材料的45Cr金属型浇注的铸件尺。为6．4 txm(图10b)，喷涂Y20，材料的ZTC4金属型浇注的铸件兄。为16．3 Ixm(图10c)，喷涂Y20，材料的Cu金属型浇注的铸件R。为21．7斗m(图10d)，各铸件表面粗糙度分析曲线见图10。采用氧化铝涂层涂覆的金属型在浇注过程中会与钛液发生剧烈反应，形成反应层，氧化铝涂层中的铝元素会扩散到钛试样表层中。而氧化钇涂层涂覆的金属型与钛液反应较弱，没有形成明显的反应层，并且在一定程度上阻碍了金属元素扩散到钛液当中。采用氧化钇涂层涂覆的灰铸铁浇注的钛试样表面更加平整，铸件表面R。仅为4．0 Ixm，更适用于钛合金的浇注。根据上述研究结果，本试验采用灰铸铁制备铸型，并涂覆氧化钇涂料。3薄壁金属型工艺设计试制铸件最长尺寸为574 mm，壁厚在2～6 mill之间变化，立体图形如图11所示。万方数据铸造 姜延亮等：钛合金金属型铸造工艺研究(a)风=4．0岬 (b)尺。=6．4 p．m (C)尺。=16．3 Ixm (d)Ri=21．7 tun图lO钛试样表面粗糙度分析Fig．1 0 Roughness oftitanium samples图11试制铸件模型Fig．1 1 Model ofpilot casting铸件壁较薄，为了解决铸件充型、裂纹、补缩、变形等问题，除了采用离心浇注工艺，本项目还根据实际经验以及理论计算，合理设置了浇注系统。为了有利于充型，铸型采用“平躺式”进行浇注，从尾翼铸件的结构上看，本身为非对称结构，壁厚由厚到薄，薄壁部位存在一定的充型及补缩难度。针对这些问题，我们采取每炉两件的方式进行浇注系统的设计，两铸型以相反方向平行放置，浇注系统设在两铸件之间，并将薄壁部位放置于离心远端，保证铸件在凝固前，浇道不提前凝固，以实现快速充型和顺序补缩的目的。一图12试制件的金属型Fig．12 Metal mold for pilot casting为了提高铸型的充型效率，并避免铸件发生整体变形，在铸件单侧壁增加了工艺加强筋，图12为增加加强筋的金属型结构。浇注时采取铸型预热技术，主要是去除铸型内所吸附的气体，防止气体在浇注过程中形成析出性气孔，避免铸件的薄壁处出现表面皱褶、冷隔、甚至充型不足等缺陷。另一方面，试验中采用真空自耗凝壳炉熔炼，过热度很小，如果通过提高熔化电流来提高浇注温度，需要设备的熔炼改造等诸多环节，生产中很难实现。因此为了保证铸件质量，本项目通过在金属型中引入加热线圈加热铸件铸型，提高铸型温度，降低铸件冷凝速度，以提高合金熔液充型能力，减少因激冷而造成的铸件冷隔、裂纹、浇不足等缺陷。线圈加热铸型到650℃，然后抽真空熔炼、浇注。设计离心转速时，以重力系数为基础的转速计算公式为：n=299X／-两，式中几为转速，G为重力系数，1为铸件离心半径，针对该薄壁铸件，选择重力系数G=30～50，依据铸件尺寸和横浇道长度并结合实际经验确定离心转速为220 r／min。4试验薄壁件浇注结果分析图13为经过喷砂的尾翼钛合金铸件，铸件成形完整，表面观察无明显裂纹、冷隔及穿透性缺陷。图13浇注的试验薄壁铸件Fig．13 Pilot thin—wall casting取浇注的尾翼铸件附铸试样进行力学性能和化学成分检验，结果见表3和表4，均达至lJGJB2896A．2007中相关要求。表3试制铸件(ZTC4)化学成分检测结果Table 3 Chemical composition of pnot casting(ZTC4)Ⅳ蝴表4试制铸件【ZTC4)力学性能检测结果Table 4 Mechanical properties of pilot casting(ZTC4)5结论(1)采用氧化铝涂层涂覆的金属型在浇注过程中万方数据·458· FOUNDRYMay 2016V01．65 NO．5与钛液发生剧烈反应，涂层中的铝元素会扩散到钛试样表层中，表面较为粗糙。而氧化钇涂层涂覆的金属型与钛液反应较弱，没有形成明显的反应层，并且浇注的钛试样表面更加平整，更适用于钛合金的浇注。(2)试制件研制过程中，通过合理设计浇注系统，并结合离心工艺和铸型预热工艺，浇注出了合格的薄壁钛合金铸件，离心转速控制在220 r／min，预热温度控制在650℃。参考文献：【1]曹春晓．航空用钛合金的发展概况【J】．航空科学技术，2005(4)：3．[2]郭景杰，盛文斌，贾均．钛合金金属型铸造工艺研究现状【J】．特种铸造及有色合金，1999(1)：125．【3]谢成木．钛及钛合金铸造【M】．北京：机械工业出版社，2004：103．(编辑：张允华，zyh@foundryworld．corn)-·●一一—-●一-．-4-一--+---i--—-卜-—+--—+--—+--—卜一-—卜一+---卜-+--4---'1-'---+'--—+--——卜-+·+-+-+·+-+-+-+-+--4“---4----+---+---I----4---J-·+-+-+-+-+-+-+-+一+--1---+--+-+·(上接第453页)(2)：179一181．【4】4 于俊．压铸机实时控制压射系统的研究[D]．武汉：华中科技大学，2004．[5】应必金．基于DSP的压铸机数字控制器研究【D】．杭州：浙江大学，2005．[6]陈科，郑红梅，沈中华．基于反馈式人工神经网络的优化算法及其应用研究明．中国机械工程，2004，15(21)：1933—1936．【7】George R．Keller．液压系统分析．陈燕庆，译．北京：国防工业出版社，1985．【8】陈翔彬．基于模糊PID的高速液压拉深机速度控制系统的研究[D】．武汉：华中科技大学，2002．【9】9 Wilkinson A J，Wilson G E，Connor A．CM and control ofpressuredie—casting in the automotive industry．Computing&ControlEngineering Journal，1994，5(3)：125-130．[1 O]陈伟华，彭继慎，赵忠建．压铸机多变量压射过程非线性预测控制[J】．铸造，2013，62(6)：529—533．[1 1】闫孝嬗，陈伟华，彭继慎，赵忠建．基于CADE算法的压铸机实时控制压射系统的研究【J】．特种铸造及有色合金，2013(7)：642—645．【12]董晓兰．压铸模应力场数值模拟及BP神经网络在控制模具变形的优化设计中的应用[D】．成都：西华大学，2007．[13]张占领，张艳琴．利用Pro／F_．和智能专家设计系统的镁合金轮毂压铸模设计叨．铸造，2014，63(4)：332—335．[14]郑慧超，褚作明，陈东，等．压铸模具选材和辅助设计专家系统[J]．铸造，2012，61(2)：156—160．(编辑：曲学良，qxl@foundryworld．com)冀州市华北铸钉铸造工具总厂冀州市华北铸钉铸造工具总厂坐落于河北省冀州市城南白庄工业区，紧靠全国大动脉京九、石德铁路、大广高速路、106国道，交通十分便利。我厂是生产铸顶(泥芯撑)、羊毛掸笔、硬扫笔、圆水笔的专业厂家。建厂50多年来．技术没备先进，产品销往全国各地，深受用户欢迎。本厂始终承诺：诚信至上。守信碧．质高价低．耍行三包．交货及眄．代办发运．可供国订做。热情欢迎国内外用户来人来电选购。一、常用修造工具规格(材质为不锈钢或弹簧钢名称 型号 规格 名称 型号 规格 名称 型号 规格 名称 型号 规格舌Ⅱ刀 2。 160×45 秋叶 1 180×30 二二角光f 22 50×30 东北压勺 1 270×50尖刮U 3。 140×35 单头钢批 ^# 240 x22 蛋圆光了 l 75×50 圆形勺 '4 200×30一 —提钩 350 y15 单头钢批 34 110×20 压钩 r 270×50 长把压勺 1‘ 220×30提钩 4’ 300 x10 法兰钩 l- 270×14 1最’i1 25 240×45 柳叶勺 14 240×40钢批钩 14 280×16 榔头铲 l 240×24 单齐压勺 25 240 x 45 单开提钩 1* 320×12二、掸笔、硬扫笔：20～120 nlm 10个品种； 圆水笔：12～17 mm 3个品种。三、铸顶(芯撑)有圆、方、长方形．单、双、多柱、异形铸顶等各种铸铁、铸钢用铸顶材质为A3或A3F四、过滤网、木型工具、皮风箱、铸尺、百叶轮、角磨片、树脂油、固化剂、粘结荆、木型锤等。㈣!…Ⅲ}|一搿w 3．(3】一*刮w2·(4)疆开挺勾p f51Ⅲ开提勾’(6】单开提勾4·l 7)双开攫勾3．(8)菽开攫勾：一(10)单央钢批3-(II)单头铜批2·f12)单共锕批p 113)唪袅平批2·¨4)提勾铜批，《15)提勾钳批1-)匪勺'f18)压412,(19)哐勺1．f20)卉矢医勺p f2”弃县Ⅲ勺l·f 221《齐头压勺2·(∞)长卉矢压々1．I平缺叶}(26)缺叶二’{27)注兰勺：，f28I托兰根2‘129j直茸光早，《30)蛋元光f2‘表面镀锌、镀锡等。圃征各地代理商厂址：河北省冀州市城南白庄工业区(053200)联系人：白其水135824841 93 任永爱13831863803白其水卡号：955998213037679681 2电话／传真：0318-8682135网址：WWW．hbzhz．com E-mail：hbbyh@hbzhz．com银行汇款：冀州市华北铸钉铸造工具总厂开户行：市中行 账号：100148643069包头市铸材经销处1363318431 8贵阳市忠信铸材公司13831 888322西宁市铸材办事处l 393181051 l南宁市铸材办事处0771-8994686本单19_为一般纳税八．增值发票税率17％。36O5∞船弭船∞吣B舛博¨博砖i弛司弛扣部限市有处处门材事事村铸办办铸亚村材市中铸铸滨市市市尔州沙海哈杭长上经销处万方数据