大型薄壁鈦合金頭罩鑄造工藝設計及運用范文

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摘要:采用石墨型鑄造工藝制備了大型薄壁鈦合金頭罩鑄件。針對頭罩高度大、壁薄的特點，設計了3套澆注系統：臥式階梯式澆注系統、頭錐置上頂注式澆注系統以及尾部朝上雨淋式澆注系統。結果表明，臥式階梯式澆注系統表面裂紋多且密集，不能滿足產品要求。兩種頂注式澆注系統表面裂紋少，能夠生產出優質鈦合金頭罩。

關鍵詞:鈦合金；薄壁鑄件；表面裂紋；鑄造工藝

鈦合金頭罩高度為750mm，最大直徑為300mm，壁厚僅為1．5mm，屬大型薄壁鈦合金鑄件。其鑄造難度大、工藝復雜，在鑄造過程中易產生裂紋、氣孔、夾雜等鑄造缺陷，嚴重影響了產品質量和生產進度。根據石墨鑄型本身的特點，從石墨選型和石墨除氣兩個方面提高了石墨鑄型的性能，為澆注出優質鈦合金鑄件打下基礎。針對大型薄壁鈦合金頭罩，設計了3套澆注系統：臥式階梯式澆注系統、頭錐置上頂注式澆注系統以及尾部朝上雨淋式澆注系統。通過理論分析和實際澆注驗證，兩種頂注式澆注系統均可滿足鑄件使用要求，其中尾部朝上雨淋式澆注系統性能最理想。

1試驗方案及參數

鈦合金頭罩采用人造石墨鑄型澆注［1］，石墨鑄型具有強度高、熱化學穩定性好和耐火度高的優點，隨著溫度的升高，強度反而增加，且對熔融鈦有很好的潤濕性，可澆注出優質鈦合金鑄件［2］。

1．1石墨選型

頭罩研制時，初始使用的石墨為2mm顆粒大小的經過1次浸潤2次焙燒的普通石墨，該石墨韌性較差，雜質含量高。為進一步提高鑄件的表面質量，減少甚至避免表面微裂紋的產生，需要提高石墨的韌性。因此，對石墨進行了優化選型，選擇了韌性較好的2次浸潤3次焙燒的高韌性細顆粒石墨，從而降低了頭罩鑄件生產中產生裂紋的傾向。

1．2石墨除氣

石墨鑄型對鑄件表面質量有重要影響，當除氣不完全、石墨鑄型表面有氧化等現象出現時，會加劇石墨鑄型與鈦液的反應，使鑄件表面硬化層變厚，這種表面硬化層是一種脆性相，其厚度越厚則表面裂紋越多［3］。由于石墨鑄型較厚，為保證其除氣充分，需要延長升溫時間。調整后的除氣工藝：常溫下經過2～3h升溫至700～800℃，保溫1h，再經過2～3h升溫到900～1000℃，保溫4h，隨爐冷卻至400℃以下出爐。采用該工藝獲得的鈦合金鑄件表面裂紋少，降低了后續補焊工作的勞動強度。在澆注前對石墨鑄型進行預熱，預熱溫度為150～200℃，預熱時間為1～2h。

1．3澆注系統設計及優化

鈦合金鑄件澆注系統的設計遵循鑄造的一般規律，但由于鈦合金結晶范圍較窄，電弧熔煉澆注的金屬過熱度較低，以及鈦密度小，真空下凝固壓頭比較小等特點，給鈦合金鑄件的順序凝固帶來困難。鈦合金澆注時放氣大，尤其當局部發生反應時，大量的氣體對金屬的注入流動造成明顯的負面影響。但作為活性金屬的鈦合金進行真空熔煉，沒有造渣的問題，因此對于不含夾雜的熔融鈦的澆注，澆注系統不必采用除渣措施，從而簡化了澆道的結構［4］。

1．3．1臥式階梯式澆注系統

鈦合金頭罩的高度為750mm，試驗采用的真空自耗電極電弧凝殼爐的最大澆注高度為800mm。考慮到鈦合金鑄造設備的限制以及澆注安全性，首先采取橫向側澆與頂注相結合的工藝。其澆注系統見圖1，臥式階梯式澆注系統對于鑄件在分型面以下的部分是頂澆，對上部分則是底澆，故兼有頂注式和底注式的特點，廣泛用于各種壁厚均勻、高度較低、水平尺寸較大的中、小型鑄件。將金屬頭罩橫向放置，可以顯著降低其高度，因此可以應用臥式階梯式澆注系統［5］。頭罩采用ZTC4鑄造鈦合金，該合金的液相線溫度為1635℃，由于鑄造所采用的鈦合金真空自耗電極爐能夠產生的過熱度為70～150℃，因此澆注溫度為1700～1750℃，根據鑄件部位的不同，凝固收縮率取0．6％～1．0％。

1．3．2頂注式澆注系統

為了盡量減少甚至避免表面裂紋的產生，采用頂注式澆注系統鑄造，金屬液從鑄型頂部進入頭罩石墨型。頂注式澆注系統對鑄型底部沖擊力大，利于頂部冒口對鑄件的補縮，減少軸向縮松的傾向及冒口的體積。可減少薄壁鑄件澆不足、冷隔等缺陷的產生，澆注系統的結構簡單而緊湊，便于造型，金屬消耗量也少。根據金屬頭罩的結構特點，設計了2種頂注式澆注系統。工藝1為從頭錐部分開始澆注的頂注式澆注系統，合金液首先澆注金屬頭罩的頭錐部分；工藝2為從尾部開始澆注的頂注式澆注系統，合金液首先澆注金屬頭罩與艙體的連接部位。

2試驗結果

根據鈦合金頭罩的技術要求，對兩種頂注式澆注系統工藝生產的鑄件進行了全面的質量檢驗。對其化學成分進行了分析，結果符合GJB1538－92中技術要求。在600～700℃，保溫1～2h退火處理后。對頭罩力學性能試樣進行了檢驗，結果符合GJB2896A－2007的技術要求。其抗拉強度達到了835MPa，伸長率為10％。對金屬頭罩鑄造毛坯進行了尺寸檢查，結果符合設計要求。X射線探傷發現，鑄件滿足Ⅲ類鑄件要求。整個鈦合金頭罩只存在1～2道流痕，滿足產品使用要求。

3結論

采用高韌性細顆粒石墨型，再進行5h的升溫除氣可以鑄造出優質的鈦合金頭罩，頭錐置采用頂注式澆注系統以及尾部朝上雨淋式澆注系統均可滿足生產要求。成功解決了金屬頭罩的生產難題，生產的金屬頭罩滿足使用要求。

參考文獻

［1］王彥鵬，傘晶超，姚謙，等．鈦合金泵體石墨型鑄造工藝優化［J］．鑄造，2014，63（8）：828－830．

［2］傘晶超．鈦合金葉輪石墨型離心鑄造工藝優化［J］．特種鑄造及有色合金，2014，34（4）：413－415．

［3］呂文斌．淺析消除鑄軋卷質量缺陷的措施［J］．科技資訊，2013（27）：79－80．

［4］王志剛．鈦合金立式離心精密鑄造凝固組織數值模擬［D］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009．

［5］柳吉榮，彭淑芳．鑄造工藝學［M］．北京：機械工業出版社，2013．

［6］趙嘉琪，楊偉光，南海，等．熱等靜壓工藝參數對ZTC4鈦合金力學性能的影響［J］．材料工程，2011（10）：42－46.

作者：余國康；范李鵬；王寶兵；李寶輝；顧輝旺；楊劍 單位：上海航天精密機械研究所