权利要求

一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法技术领域[0001] 本发明涉及钛合金或钛铝合金铸件的铸造方法。 背景技术[0002] 钛不是稀有金属，在含量最丰富的结构金属中排第四位，仅次于铝、铁、镁， 但由于制取纯钛的价格非常高，所以钛合金的价格非常高。随着海绵钛成本的下降，钛 合金价格降低，钛合金新材料的不断研制与钛材品种的增多，钛在军用及民用工业中的 应用逐渐增加。铸造成形是制备钛合金构件的重要方法。钛合金的铸造方法主要有重力 铸造、离心铸造、熔模铸造，也有尝试反重力低压铸造。在民用产品中，如汽车的排气 阀、发动机气门、手表外壳、钛工艺品等大部分尺寸较小，由于钛合金的密度低，对于 小型复杂铸件，尤其是薄壁部分，传统的重力铸造难于使其顺利充型，虽然离心铸造方 法能够成形，但工艺复杂、材料利用率很低、生产周期长，而且两种方法工作量大，成 本高，限制了钛合金小型铸件的广泛应用。专利200810064180.4公开了一种金属型底漏 式真空吸铸钛基合金的精密铸造方法，利用该方法可以快速、高效率铸造成形钛基合金 的方法，但是由于这种技术采用金属铸型，由于金属铸型冷却速度快、不透气，无退让 性，容易造成铸件浇不足、开裂等缺陷，并且铸型不能预热到较高的温度，只能成形一 些形状较简单、易分型的零件，难于成形形状复杂的薄壁零件。发明内容[0003] 本发明要解决现有的钛合金构件的重力铸造难于使其顺利充型、离心铸造方法 工艺复杂、材料利用率低及金属型底漏式真空吸铸方法的不能铸造成形形状复杂的薄壁 零件的技术问题，而提供一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法。[0004] 本发明的一种小型钛合金或钛铝合金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进 行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的透气型壳；二、 制备底漏式真空吸铸容器，该容器由腔体与上盖组成，在腔体的侧壁开有通气孔，上盖 开有浇口，上盖的上表面开有环形密封凹槽，浇口位于密封凹槽的环形内；三、将步骤 一制备的型壳用透气的充填物固定在步骤二制备的容器里，盖好容器上盖，把密封圈安 装在容器上盖的密封凹槽内，再将容器固定在熔炼炉的吸铸室内，使石墨吸口、容器上 盖浇口和型壳的直浇道对准；四、将钛合金或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔 炼坩埚内，再将真空室抽真空至0.2X10_2:Pa〜6X10_2:Pa，接着通入保护气体至压力为 40kPa〜60kPa，然后通电进行电弧熔炼，将原料熔炼3〜6次，每次熔炼时间2ηώι〜 5min,熔炼电流为100A〜300A，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空 电弧熔炼炉的吸铸坩埚，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为100A〜300A，熔炼Ιηώι〜 5min后，增大电弧电流至300A〜500A，并保持Ιηώι〜3ηώι，得到过热熔体；六、开 启真空电弧熔炼炉的吸铸室真空系统，开启吸铸按钮，步骤四得到的过热熔体在真空压 力差和自身重力的压力综合作用下，迅速充满型腔，待型腔内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。[0005] 本发明通过将底漏式真空吸铸方法和熔模精密铸造方法相结合，提出一种铸造 钛合金或钛铝合金的新型铸造方法——底漏式真空吸铸熔模精密铸造方法。这种方法兼 顾熔模精密铸造方法的精铸件度高、适用范围广、可成形复杂铸件的优点，以及底漏式 真空吸铸方法的充型能力强、效率高、成本低、尤其适用小型铸件的优点。本发明首先 制作小型工艺品、叶片等复杂铸件的熔模铸造型壳；然后把透气的型壳放入容器里，将 型壳直浇道与容器上盖浇口对准，用耐热并通气的大块海绵钛、铸造型砂或钢丸固定型 壳，这些通气的固定材料能够固定各种不同大小、不同高度的模壳，而且通气的固定材 料不规则、不致密，透气性较好；盖好容器盖，安装密封圈，把容器放在设备的支撑板 上。然后将支撑板用螺栓固定安装在设备上；将预制好的钛合金，放入电弧熔熔炼坩 埚，进行真空熔炼，把合金熔炼成纽扣锭，把纽扣锭翻转到吸铸坩埚，小电弧缓慢熔化 纽扣锭，当整个纽扣锭呈现红热状态时，迅速加大电弧，同时真空室开始抽真空；由于 容器有通气孔，固定材料透气，且型壳具有透气性，因此型壳内产生负压，液态的钛合 金在自身重力和压差的作用下，定向流动，向型壳中浇注金属液，并将型壳填满；待铸 件冷却一段时间后，释放真空，清理型壳，得到完整铸件，铸件尺寸精度和表面光洁度 高，克服了现有技术铸件浇不足，易开裂的缺点，成品率沖0%，是一种钛及钛铝合金的 近净成形工艺。[0006] 该方法在真空条件下充型，避免了钛合金或钛铝合金发生氧化；重力场与气场 叠加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方 便，提高成品率，降低了成本，能够广泛应用到钛合金小型复杂铸件的生产上，尤其适 合于大批量或小批量单件生产小型钛及钛铝合金铸件的铸造成形，如成形尺寸很小或壁 厚非常薄的钛及钛铝合金叶片、涡轮、工艺品等，铸件的成形质量高，优于熔模精密铸 造的精度。附图说明[0007] 图1是型壳容器示意图；图2是底漏式真空吸铸熔模精密铸造熔炼和吸铸原理的示意图。图中：1是钨 极，2是熔炼室，3是水冷铜坩埚，4是循环水，5是密封圈，6是吸铸室，7是型壳容 器，8是型壳，9是充填物，10是支撑板，11是石墨吸口； 3-1是熔炼坩埚，3-2是吸铸 坩埚，7-1是上盖，7-2是腔体，7-3是通气孔，7-4是密封凹槽，7_5是浇口。具体实施方式[0008] 具体实施方式一：（参见附图1和图幻本实施方式的一种小型钛合金或钛铝合 金复杂铸件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备 钛合金或钛铝合金铸件的透气型壳8; 二、制备底漏式真空吸铸容器7，该容器7由腔 体7-2与上盖7-1组成，在腔体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7_1开有浇口 7_5， 上盖7-1的上表面开有环形密封凹槽7-4，浇口 7-5位于密封凹槽7-4的环形内；三、 将步骤一制备的型壳8用透气的充填物9固定在步骤二制备的容器7里，盖好容器上盖 7-1，把密封圈5安装在容器上盖的密封凹槽7-4内，再将容器7固定在熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口 11、容器上盖浇口 7-5和型壳8的直浇道对准；四、将钛合金或钛铝 合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，再将熔炼室2抽真空至0.2 X 10-2¾〜 BXlO-2Pa,接着通入保护气体至压力为40kRi〜60kPa，然后通电进行电弧熔炼，将原料 熔炼3〜6次，每次熔炼时间2min〜5ηώι，熔炼电流为100Α〜300Α，得到纽扣锭； 五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2内，将钮扣锭重新熔 炼，熔炼电流为100Α〜300Α，熔炼Ιηήη〜5min后，增大电弧电流至300A〜500A， 并保持Ιηώι〜3ηώι，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室真空系统，开启 吸铸按钮，步骤四得到的过热熔体在真空压力差和自身重力的压力综合作用下，迅速充 满型腔8，待型腔8内的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。[0009] 本实施方式的方法在真空条件下充型，避免了钛合金发生氧化；重力场与气场 叠加，具有很强的充型能力；具有生产率高、机构简单、操作方便、成品率290%、材 料利用率极高、近净成形、成本低的优点，能够广泛应用到钛及合金小型复杂铸件的生 产上，如钛及钛铝合金叶片、涡轮、工艺品等的大批量或小批量单件生产。[0010] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中利用熔模 铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳8时，面砂的粒径为80目〜100目，二层 砂的粒径为20目〜40目，背层砂的粒径为8目〜20目。其它与具体实施方式一相同。[0011] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中利用熔模 铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳8时，面砂的粒径为90目，二层砂的粒径 为30目，背层砂的粒径为16目。其它与具体实施方式一相同。[0012] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固 定型壳的透气的充填物9为直径为0.1mm〜5mm的钢丸或铁丸。其他步骤和参数与具 体实施方式一至三之一相同。[0013] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固 定型壳的透气的充填物9为直径为2mm的钢丸或铁丸。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。[0014] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固 定型壳的固定型壳的透气的充填物9为直径为10目〜100目的铸造用型砂。其他步骤和 参数与具体实施方式一至三之一相同。[0015] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固 定型壳的固定型壳的透气的充填物9为直径为60目的铸造用型砂。其他步骤和参数与具 体实施方式一至三之一相同。[0016] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三中固 定型壳的固定型壳的透气的充填物9为海绵钛。其他步骤和参数与具体实施方式一至三 之一相同。[0017] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四 中将钛或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，再将熔炼室抽真空至 0.5 X IO 2Pa〜5X 10_2Pa。其它与具体实施方式一至八之一相同。[0018] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四 中将钛或钛铝合金原料放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩埚3-1内，再将熔炼室抽真空至2X10_2:Pa。其它与具体实施方式一至八之一相同。[0019] 具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四 中通入保护气体至压力为42kPa〜56kPa。其它与具体实施方式一至十之一相同。[0020] 具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤四 中通入保护气体至压力为50kPa。其它与具体实施方式一至十之一相同。[0021] 具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤 四中电弧熔炼的次数是4〜5次，每次熔炼时间2.5min〜4.5ηώι，熔炼电流为120Α〜 ^0Α。其它与具体实施方式一至十二之一相同。[0022] 具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤 四中电弧熔炼的次数是3次，每次熔炼时间3.5ηώι，熔炼电流为200Α。其它与具体实施方式一至十二之一相同。[0023] 具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤 五中将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为120Α〜^0Α，熔炼2ηώι〜4ηώι后，增大电弧电流 至320Α〜480Α，并保持Ιηώι〜3ηώι，得到过热熔体。其它与具体实施方式一至十四 之一相同。[0024] 具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤 五中将钮扣锭重新熔炼，熔炼电流为200Α，熔炼3ηώι后，增大电弧电流至400Α，并保 持2ηώι，得到过热熔体。其它与具体实施方式一至十四之一相同。[0025] 具体实施方式十七：（参见附图1、图幻本实施方式的一种小型钛铝合金复杂铸 件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛铝合金 铸件的型壳8; 二、制备型壳不锈钢容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔 体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口 7-5，上盖7_1的上表面开有环形密封 凹槽7-4，浇口 7-5位于密封凹槽7-4内；三、将步骤一制备的型壳8用海绵钛9固定在 步骤二制备的容器7里，盖好容器7上盖7-1，把密封圈5安装在容器7上盖7-1的密封 凹槽7-4内，再将容器7安装在真空电弧熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口 11、容器上 盖浇口 7-5和型壳8的直浇道对准；四、将Ti-47Al-2Cr_2Nb合金放入真空电弧熔炼炉的 熔炼坩埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至5X10_2:Pa，然后通入高纯氩气至压力为50kPa， 而后通过电弧熔炼，将原料熔炼5次，每次熔炼时间3ηώι，电流为200Α，得到纽扣锭；五、将步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2中，将钮扣锭重新熔 炼，熔炼电流为200Α熔炼5ηώι后，将电流增加到400Α，并保持3ηώι，得到过热熔体；六、开启真空电弧熔炼炉的吸铸室6真空系统，然后开启吸铸按钮，步骤五得到的过热 熔体在压力差和自身重力的压力综合作用下，通过石墨洗口迅速充满型腔8，待型腔8内 的铸件冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。[0026] 本实施方式步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛铝合金铸件的型壳8时，面砂 的粒径为80目，二层砂的粒径为30目，背层砂的粒径为16目。[0027] 本实施方式得到的Ti-47Al-2Cr_2Nb合金叶轮铸件充型完整，表面质量好，经 探伤检测内部质量好，无气孔、缩孔缺陷，成品率92%。[0028] 本实施方式方法在真空条件下充型，避免了钛铝合金发生氧化；重力场与气场 叠加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方便，提高成品率，降低了成本。[0029] 具体实施方式十八：（参见附图1、图幻本实施方式的一种小型钛铝合金复杂铸 件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛铝合金 铸件的型壳8; 二、制备型壳不锈钢容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔 体7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口 7-5，上盖7_1的上表面开有环形密封 凹槽7-4，浇口 7-5位于密封凹槽7-4内；三、将步骤一制备的型壳8用海绵钛9固定在 步骤二制备的容器7里，盖好容器7上盖7-1，把密封圈5安装在容器7上盖7-1的密封 凹槽7-4内，再将容器7安装在真空电弧熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口 11、容器上盖 浇口 7-5和型壳8的直浇道对准；四、将Ti-47Al-2Cr_2Nb合金放入真空电弧熔炼炉的熔 炼坩埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至lX10_2:Pa，然后通入氦气至压力为45kPa，而后通 过电弧熔炼，将原料熔炼4次，每次熔炼时间5ηώι，电流为250Α，得到纽扣锭；五、将 步骤四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2中，将钮扣锭重新熔炼，熔 炼电流为250Α熔炼4ηώι后，将电流增加到500Α，并保持2min，得到过热熔体；六、开 启真空电弧熔炼炉的吸铸室6真空系统，然后开启吸铸按钮，步骤五得到的过热熔体在 压力差和自身重力的压力综合作用下，通过石墨洗口迅速充满型腔8，待型腔8内的铸件 冷却至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。[0030] 本实施方式步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛合金或钛铝合金铸件的型壳8 时，面砂的粒径为90目，二层砂的粒径为40目，背层砂的粒径为16目。[0031] 本实施方式得到的Ti-47Al-2Cr_2Nb合金叶轮铸件充型完整，表面质量好，经 探伤检测内部质量好，无气孔、缩孔缺陷，成品率95%。[0032] 本实施方式方法在真空条件下充型，避免了钛铝合金发生氧化；重力场与气场 叠加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方 便，提高成品率，降低了成本。[0033] 具体实施方式十九：（参见附图1、图2~)本实施方式的一种小型钛合金复杂铸 件的铸造成形方法，按以下步骤进行：一、利用现有技术熔模铸造的方法制备钛合金铸 件的型壳8; 二、制备型壳不锈钢容器7，该容器7由腔体7-2与上盖7-1组成，在腔体 7-2的侧壁开有通气孔7-3，上盖7-1开有浇口 7-5，上盖7_1的上表面开有环形密封凹槽 7-4，浇口 7-5位于密封凹槽7-4内；三、将步骤一制备的型壳8用海绵钛9固定在步骤 二制备的容器7里，盖好容器7上盖7-1，把密封圈5安装在容器7上盖7-1的密封凹槽 7-4内，再将容器7安装在真空电弧熔炼炉的吸铸室6内，使石墨吸口 11、容器上盖浇口 7-5和型壳8的直浇道对准；四、将Ti-6A1_4V(TC4)合金放入真空电弧熔炼炉的熔炼坩 埚3-1内，先将熔炼室2抽真空至3X10_2:Pa，然后通入氦气至压力为55kPa，而后通过电 弧熔炼，将原料熔炼3次，每次熔炼时间4ηώι，电流为200Α，得到纽扣锭；五、将步骤 四得到的纽扣锭翻转到真空电弧熔炼炉的吸铸坩埚3-2中，将钮扣锭重新熔炼，熔炼电 流为200Α熔炼3ηώι后，将电流增加到450Α，并保持3min，得到过热熔体；六、开启真 空电弧熔炼炉的吸铸室6真空系统，然后开启吸铸按钮，步骤五得到的过热熔体在压力 差和自身重力的压力综合作用下，通过石墨洗口迅速充满型腔8，待型腔8内的铸件冷却 至室温后，将吸铸室释放真空，清理型壳，得到铸件。[0034] 本实施方式步骤一中利用熔模铸造的方法制备钛铸件的型壳8时，面砂的粒径为80目，二层砂的粒径为30目，背层砂的粒径为16目。[0035] 本实施方式得到的Ti-6A1_4V(TC4)合金叶轮铸件充型完整，表面质量好，经探 伤检测内部质量好，无气孔、缩孔缺陷，成品率94%。[0036] 本实施方式方法在真空条件下充型，避免了钛金属发生氧化；重力场与气场叠 加，定向流动，能量损失小，具有很强的充型能力；生产率高、机构简单、操作方便， 提高成品率，降低了成本。