揭秘大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)：從無(wú)到有，鑄造輝煌
隨著科技的不斷進(jìn)步，鈦合金因其高強(qiáng)度、低密度和優(yōu)異的耐腐蝕性，在航空航天、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。大型復(fù)雜鈦合金鑄件的熔模精密鑄造技術(shù)作為鈦合金加工的重要手段，更是成為了現(xiàn)代制造業(yè)的尖端精密加工m.depontis.com技術(shù)之一。本文將帶您深入了解這一技術(shù)的奧秘，探究其如何助力現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)突破。
一、熔模精密鑄造技術(shù)概述
熔模精密鑄造，又稱為失蠟鑄造或熔模鑄造，是一種近凈成形的高精度鑄造方法。該技術(shù)以蠟?zāi)樵?，?jīng)過(guò)精密加工后，在蠟?zāi)１砻嫱可隙鄬幽突鸩牧希纬设T型。隨后加熱使蠟?zāi)Ｈ刍鞒?，形成型腔，最后澆入熔融金屬，冷卻凝固后獲得鑄件。由于鈦合金熔點(diǎn)高、化學(xué)活性強(qiáng)，對(duì)熔模精密鑄造技術(shù)提出了更高要求。
二、大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)特點(diǎn)
高精度：熔模精密鑄造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制，滿足對(duì)大型鈦合金鑄件高精度的要求。
材料利用率高：該技術(shù)采用近凈成形，減少了機(jī)械加工余量，提高了材料利用率。
性能優(yōu)異：鈦合金鑄件經(jīng)過(guò)熔模精密鑄造后，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐腐蝕性，能夠滿足各種極端條件下的使用要求。
三、大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造工藝流程
蠟?zāi)Ｖ谱鳎翰捎镁艿窨碳夹g(shù)制作蠟?zāi)?，確保蠟?zāi)５某叽缇群捅砻尜|(zhì)量。
涂層制備：在蠟?zāi)１砻嫱扛捕鄬幽突鸩牧?，形成?jiān)固的鑄型。
脫蠟與型腔形成：加熱使蠟?zāi)Ｈ刍鞒?，形成完整的型腔?br /> 澆注與凝固：將熔融的鈦合金澆入型腔，經(jīng)過(guò)合適的冷卻時(shí)間，鈦合金凝固成鑄件。
后處理：對(duì)鑄件進(jìn)行清理、打磨、熱處理等后處理，以獲得最終產(chǎn)品。
四、技術(shù)挑戰(zhàn)與展望
大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如蠟?zāi)Ｖ谱骶取⒛突鸩牧线x擇、鈦合金熔煉與澆注控制等。未來(lái)，隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，該技術(shù)有望在精度、效率、成本等方面實(shí)現(xiàn)更大的突破，為更多領(lǐng)域提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。
大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)
鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、電子等各個(gè)領(lǐng)域。隨著航空、航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)裝備的載荷、強(qiáng)度、剛性等要求越來(lái)越高，大型復(fù)雜鈦合金整體鑄件逐步取代傳統(tǒng)的“多件組合”結(jié)構(gòu)（圖1）。特別是在航空制造領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)在需要高推重比的同時(shí)，還要具備更長(zhǎng)壽命、更高可靠性與經(jīng)濟(jì)性及滿足適航認(rèn)證要求，加快了鈦合金鑄件向功能化、整體化、輕量化、大型化發(fā)展，鑄件已從傳統(tǒng)意義上的毛坯升級(jí)為近凈形整體功能部件。鑄件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜、外廓尺寸越來(lái)越大、最小壁厚越來(lái)越?。怀叽缇仍絹?lái)越高、冶金質(zhì)量要求近乎嚴(yán)苛；對(duì)鑄件的可靠性、安全性、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性等要求越來(lái)越明確。這些都對(duì)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件提出了越來(lái)越高的要求。
圖1大型復(fù)雜鑄件示意圖
Fig.1 Example of large complex castings
1國(guó)內(nèi)大型鈦合金鑄件發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀(jì)90年代初，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金機(jī)匣采用分體鑄造再焊接成整體部件方式生產(chǎn)，在使用過(guò)程中由于機(jī)匣焊接量大，部件剛性差，易產(chǎn)生疲勞裂紋，部件可靠性和壽命下降，難以實(shí)現(xiàn)全壽命使用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求不斷提升，分體鑄造再焊接成整體部件的機(jī)匣類構(gòu)件已滿足不了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，需采用結(jié)構(gòu)剛性更好、更為可靠的整體鑄件。
國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代起開展大型鈦合金鑄件的研制工作，整體鑄造的中介機(jī)匣率先在XX10發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。開展鈦合金鑄造技術(shù)研究和鈦合金鑄件研制生產(chǎn)的單位有航空工業(yè)貴州安吉航空精密鑄造有限責(zé)任公司、中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院、中科院金屬所、沈陽(yáng)鑄造研究所、洛陽(yáng)船舶材料研究所等。其中，航空工業(yè)貴州安吉航空精密鑄造有限責(zé)任公司、中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院是航空用鈦合金鑄件研制和生產(chǎn)主要單位。近年來(lái)，我國(guó)研制的鈦合金鑄件尺寸不斷增大，從輪廓尺寸為Φ890 mm航空發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣，發(fā)展到輪廓尺寸為1 372 mm×782 mm×621 mm的某鈦合金異形結(jié)構(gòu)件（圖2）。
圖2某型飛機(jī)鈦合金異形結(jié)構(gòu)件
Fig.2 Titanium alloy casting for a certain type of aircraft
長(zhǎng)期以來(lái)，大型復(fù)雜鈦合金鑄造主要以型號(hào)任務(wù)為技術(shù)發(fā)展導(dǎo)向，通用技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯緩，造成了鈦合金鑄造技術(shù)的進(jìn)步趕不上當(dāng)前鑄件質(zhì)量及尺寸的發(fā)展需求，使得當(dāng)前研制及生產(chǎn)中的大型復(fù)雜鈦合金鑄件的制備一直存在型面尺寸精度低、冶金缺陷較多、批次穩(wěn)定性不夠等方面的技術(shù)瓶頸。
2大型復(fù)雜鈦合金鑄件制造技術(shù)
20世紀(jì)80年代至90年代初，我國(guó)基本形成了鈦合金精密鑄造技術(shù)體系，近年來(lái)開始注重近凈形熔模精密鑄造技術(shù)的工程化應(yīng)用技術(shù)研究。鑄造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鑄造產(chǎn)品質(zhì)量符合性的基礎(chǔ)，質(zhì)量符合性是產(chǎn)品能否實(shí)現(xiàn)裝備所需功能的必要保障。從鑄造技術(shù)到產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，各項(xiàng)鑄造技術(shù)通過(guò)質(zhì)量一致性來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。因此，鑄造技術(shù)基礎(chǔ)是否扎實(shí)，尤其是能否突破瓶頸技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)，是大型復(fù)雜鈦合金鑄件能否安全、可靠地實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有功能的重中之重。下面就鈦合金鑄造過(guò)程中的尺寸精度控制技術(shù)及冶金質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行分析。
2.1大型復(fù)雜鈦合金鑄件尺寸精度控制技術(shù)
精密鑄造的工藝流程復(fù)雜，從蠟?zāi)５叫蜌?、再到鑄件，進(jìn)行遞次的形狀復(fù)制。蠟?zāi)?、型殼的形狀和尺寸穩(wěn)定性及精度傳遞過(guò)程對(duì)最終獲得高精度鑄件具有重大影響。鑄件后續(xù)的焊接、熱處理、加工均會(huì)帶來(lái)鑄件的變形。
2.1.1關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
大型復(fù)雜鈦合金鑄件受結(jié)構(gòu)限制以及制造過(guò)程多因素影響，造成鑄件變形和尺寸收縮影響因素的多樣性，要實(shí)現(xiàn)變形與尺寸控制就必須分別弄清各因素產(chǎn)生變形的機(jī)理，才能制定有效的控制方法[3-4]。造成鑄件變形的主要因素如下。
?。?）蠟?zāi)Ｗ冃巍Ｓ捎诮Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，蠟?zāi)Ｄ＞叽蜷_后，模具活塊只能逐個(gè)取出。此時(shí)蠟?zāi)Ｒ徊糠峙c模具活塊接觸，另一部分被裸露出來(lái)，這造成蠟?zāi)８鞑课凰艿降氖`不能被同時(shí)解除且接觸的外界溫度也不同，形成的收縮不同；而由于大面積薄壁和不等的壁厚差，蠟?zāi)Ｗ陨硎湛s也不一致。在蠟?zāi)４娣胚^(guò)程中，存放方式、環(huán)境溫度變化、自重等也會(huì)帶來(lái)蠟?zāi)５淖冃巍?br /> ?。?）型殼變形。大型復(fù)雜模組在制殼過(guò)程中受自重影響在模組干燥存放過(guò)程中會(huì)發(fā)生變形；型殼是在室溫環(huán)境下復(fù)制蠟?zāi)３叽?，而澆注后型殼溫度?huì)升高到鑄件澆注溫度附近，型殼溫度變化會(huì)引起其尺寸發(fā)生變化；澆注過(guò)程中受金屬液和離心力的作用，型殼也會(huì)產(chǎn)生變形。
?。?）鑄件凝固變形。在蠟?zāi)＝M安裝冒口和澆道以及鑄件澆注過(guò)程中，鑄件的冷卻環(huán)境和凝固收縮都受到澆冒口的影響，由于鑄件本身結(jié)構(gòu)的不均勻、大面積薄壁易變形、尺寸大收縮差大等特點(diǎn)，受到澆冒系統(tǒng)對(duì)其溫度場(chǎng)和收縮應(yīng)力的影響就更大。
?。?）焊接變形。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，鑄件的某些缺陷可以通過(guò)補(bǔ)焊修復(fù)，但補(bǔ)焊過(guò)程中因局部溫度與組織變化產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鑄件變形。
?。?）結(jié)構(gòu)變形。與一般鑄件相比，大型鈦合金鑄件的尺寸和壁厚差異較大，尺寸波動(dòng)受制模、制殼、澆注、熱等靜壓、熱處理等過(guò)程中的工藝環(huán)境影響更顯著。
2.1.2解決的技術(shù)途徑
通過(guò)系統(tǒng)研究鑄件變形及尺寸精度演變規(guī)律，確定全流程尺寸誤差鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的工藝技術(shù)措施，突破以下尺寸精度控制關(guān)鍵技術(shù)。
?。?）蠟?zāi)３叽缇瓤刂萍夹g(shù)。通過(guò)冷卻收縮、重力（蠕變）對(duì)蠟?zāi)Ｗ冃我?guī)律影響的測(cè)試與分析，在環(huán)境溫度受控的前提下，優(yōu)化蠟?zāi)４娣艞l件；通過(guò)蠟?zāi)Ｌツ?矯形模，控制蠟?zāi)５男挝蛔冃瘟?，保證蠟?zāi)５膱A度、平面度符合工藝要求；采用三坐標(biāo)或藍(lán)光檢測(cè)方法評(píng)價(jià)蠟?zāi)３叽缇鹊姆闲浴?br /> （2）型殼尺寸精度控制技術(shù)。通過(guò)制殼過(guò)程中載荷分析與校驗(yàn)、脫蠟/焙燒/預(yù)熱條件下高溫-重力對(duì)型殼變形影響熔體熱作用和充型載荷對(duì)型殼變形影響、離心力對(duì)型殼變形的影響研究，系統(tǒng)制定型殼防變形措施，如：設(shè)計(jì)制造模組防變形工裝；調(diào)控制殼工藝（濕強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度）；調(diào)整優(yōu)化脫蠟、焙燒、預(yù)熱工藝參數(shù)，將型殼變形率控制在最小范圍。
?。?）鑄件尺寸精度控制技術(shù)。研究凝固冷卻收縮對(duì)鑄件形狀和尺寸影響，結(jié)合凝固過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變模擬分析結(jié)果，通過(guò)控制熔鑄過(guò)程工藝參數(shù)（如：鑄型溫度、澆注溫度等）、調(diào)整澆注系統(tǒng)、局部增厚或減薄型殼強(qiáng)度、控制因凝固和冷卻收縮受阻造成的應(yīng)力不均和應(yīng)力集中等方法，使鑄件收縮更均勻。
?。?）后處理熱過(guò)程尺寸精度控制技術(shù)。在分析大型鑄件在熱處理（含熱等靜壓、時(shí)效等）、焊接等熱過(guò)程中變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用金屬材料的蠕變特性，設(shè)計(jì)和制造必要的熱定型工裝和防變形工裝以減小后處理熱過(guò)程中鑄件變形。
2.2大型復(fù)雜鈦合金鑄件質(zhì)量控制技術(shù)
2.2.1關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
由于過(guò)程控制難度更大，大型復(fù)雜鈦合金鑄件缺陷產(chǎn)生的可能性較中小尺寸鑄件增加。從現(xiàn)有大型鈦合金鑄件的生產(chǎn)與加工情況來(lái)看，鑄件澆注后幾乎都存在一定數(shù)量的冶金缺陷，靠補(bǔ)焊挽救，毛坯合格后，在加工過(guò)程的熒光檢查中，還會(huì)有部分鑄件存在熒光顯示。對(duì)鑄件質(zhì)量影響的主要因素有以下幾方面。
?。?）外廓尺寸不斷增加，加大了熔體的流動(dòng)距離，延長(zhǎng)了熔體與鑄型接觸的時(shí)間，增加了熔體與鑄型相互作用的機(jī)會(huì)。
?。?）壁厚差不斷增大，增加了縮孔、疏松和應(yīng)力集中的機(jī)會(huì)。
?。?）最小壁厚越來(lái)越小，增大了欠鑄、澆不足的可能性。
?。?）鑄件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，使金屬液填充過(guò)程處于多管流動(dòng)過(guò)程，極易將外來(lái)物卷入鑄件成為夾雜、夾渣等缺陷。
2.2.2解決的技術(shù)途徑
?。?）采用數(shù)值模擬分析型殼受熱條件下的溫度場(chǎng)和澆注時(shí)的金屬液流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律。構(gòu)建實(shí)際工況下的溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的溫度狀態(tài)和金屬液流動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，從而檢驗(yàn)和修正數(shù)值模擬結(jié)果。
（2）改進(jìn)型殼溫度控制方法。通過(guò)型殼局部保溫或激冷等手段實(shí)現(xiàn)型殼散熱條件的差異化精確控制，配合澆注工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化金屬液凝固順序，減少充型不完整、補(bǔ)縮不足導(dǎo)致的鑄件缺陷。
?。?）針對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化的澆注方案，研究鑄型預(yù)熱溫度對(duì)金屬液充型補(bǔ)縮性能的影響，獲得優(yōu)化的鑄型預(yù)熱溫度，減少流痕、澆不足、縮松縮孔等缺陷，實(shí)現(xiàn)鑄件完整成形。
?。?）采用計(jì)算機(jī)有限元模擬技術(shù)分析溫度場(chǎng)對(duì)凝固中縮孔等缺陷形成的影響，預(yù)測(cè)缺陷位置。基于此結(jié)果，優(yōu)化三維鑄件結(jié)構(gòu)、澆冒口等澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用X射線探傷、滲透檢驗(yàn)等無(wú)損檢驗(yàn)手段，結(jié)合鑄件解剖，分析檢測(cè)成形的鑄件冶金缺陷及其分布規(guī)律，并與有限元模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，迭代工藝參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化澆注工藝。
（5）采用熱等靜壓技術(shù)消除鑄件內(nèi)部縮松縮孔缺陷。
3大型復(fù)雜鈦合金熔模鑄造工藝案例
如圖2的某鈦合金異形結(jié)構(gòu)鑄件是典型的大型復(fù)雜鈦合金鑄件。鈦合金鑄件制造工序流程長(zhǎng)（從投料到鑄件入庫(kù)需要經(jīng)過(guò)70余道主要工序），任一工藝過(guò)程操作質(zhì)量對(duì)鑄件最終質(zhì)量都將造成影響。主要的工藝過(guò)程有：蠟?zāi)褐?、蠟?zāi)＝M合、涂料制殼、熔煉澆注、吹砂打磨、排故補(bǔ)焊、酸洗熒光、熱等靜壓、多次X光探傷、矯形、機(jī)加終檢等。由于鈦合金熔體非?；顫?，澆注熔體多采用真空自耗電極凝殼爐獲得，但因該種熔煉方式金屬液過(guò)熱度不高，造成熔體本身粘度大、流動(dòng)性差，通常采用離心澆注的方式進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。
3.1制模過(guò)程
3.1.1制模工藝
蠟?zāi)３叽缈刂剖氰T件尺寸控制的首要環(huán)節(jié)，為保證蠟?zāi)３叽绲臏?zhǔn)確性，同時(shí)驗(yàn)證工藝參數(shù)的可行性，壓制了不同壓型預(yù)熱溫度、射蠟壓力和保壓時(shí)間的蠟?zāi)?，?duì)蠟?zāi)３叽鐒澗€檢查、三維掃描（圖3）和破壞性全面尺寸測(cè)量，確定適合的制模工藝參數(shù)。
圖3三維掃描結(jié)果
Fig.3 Three-dimensional scanning results
3.1.2蠟?zāi)３叽缈刂萍夹g(shù)
設(shè)計(jì)了蠟?zāi)Ｌツ：蜏y(cè)具，對(duì)蠟?zāi)＿M(jìn)行符合性矯正。鑄件曲面所對(duì)應(yīng)的蠟?zāi)Ｇ孀冃瘟繙y(cè)量結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的蠟?zāi)Ｌツ：蜏y(cè)具能有效控制蠟?zāi)Ｗ冃?，?jīng)胎模固化、測(cè)具檢查控制和胎模局部矯正后的蠟?zāi)３叽缒芸刂圃?.5 mm左右（圖4）。
圖4蠟?zāi)Ｌツ：蜏y(cè)具
Fig.4 Wax pattern and gauge
3.2澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1計(jì)算機(jī)工藝方案模擬
利用鑄造工藝模擬仿真軟件對(duì)表1所示不同工藝參數(shù)下的工藝方案進(jìn)行了澆注和凝固模擬分析，為澆注工藝參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。模擬過(guò)程見圖5。
表1工藝模擬方案
Table 1 Scheme of process simulation
圖5工藝模擬充型和凝固過(guò)程
Fig.5 Simulationsof mold filling and solidification processes
3.2.2模擬結(jié)果分析
由圖5分析結(jié)果可知，方案一充型、補(bǔ)縮效果更好，其主要原因?yàn)殡x心轉(zhuǎn)速高，有利于合金的充型和補(bǔ)縮。若降低離心轉(zhuǎn)速，則必須大幅度提高型殼預(yù)熱溫度和加大補(bǔ)縮通道。但是兩種方案的軸承孔處冒口容量都不夠，補(bǔ)縮效果都不好，需加大厚大部位的補(bǔ)縮。
3.2.3澆注系統(tǒng)確定
由于鑄件具有外廓尺寸大、薄壁的特點(diǎn)，蠟?zāi)＝M合工藝方案主要考慮了以下兩個(gè)問(wèn)題：
（1）設(shè)計(jì)合適的內(nèi)澆道與橫澆道以及中心澆道的比例關(guān)系，以保證型腔內(nèi)獲得足夠的壓強(qiáng)；
?。?）由于蠟?zāi)榉菍?duì)稱薄壁異型面，組合方案（圖6）需要考慮模組在制殼旋轉(zhuǎn)過(guò)程中容易因重量不平衡而產(chǎn)生扭矩，導(dǎo)致模組斷裂。特制做涂料用工裝。
圖6蠟?zāi)＝M合工藝示意圖
Fig.6 Diagram showingwax pattern assembly process
3.2.4防變形設(shè)計(jì)
考慮鑄件筋板跨度大易變形，為保證蠟?zāi)?qiáng)度，避免蠟?zāi)：丸T件后工序變形，在蠟?zāi)Ｏ鄳?yīng)位置組合設(shè)計(jì)制造、安裝了工藝筋，用以連接跨度較大的鑄件筋板，形成了防變形框架，如圖7所示。
圖7蠟?zāi)７雷冃喂に嚱?br /> Fig.7 Process reinforced bar for wax pattern deformation prevention
3.2.5專用涂料工裝設(shè)計(jì)
鑄件蠟?zāi)＝Y(jié)構(gòu)為非對(duì)稱薄壁異型結(jié)構(gòu)，在組合和涂料過(guò)程中常在澆冒口等連接部位出現(xiàn)裂紋或斷裂，增加了鑄件變形、跑火、氣孔和高密度夾渣缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。為改善模組的受力情況，發(fā)揮工裝的防變形和對(duì)模組的保護(hù)作用，最大限度減少模組出現(xiàn)裂紋或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高鑄件的實(shí)物質(zhì)量，設(shè)計(jì)制造了專用組合工裝，防止蠟?zāi)Ｔ诮M合及涂料過(guò)程中的變形，如圖8所示。
圖8專用組合工裝
Fig.8 Special combination tooling
3.3制殼技術(shù)
鑄件蠟?zāi)３叽绱蟆⒈诒?、整體強(qiáng)度差，在涂料過(guò)程中易發(fā)生垮塌或產(chǎn)生微裂紋。脫蠟后在型腔內(nèi)表面形成飛翅，澆注時(shí)卷入金屬液中形成夾渣。因此，必須用加固框架增強(qiáng)蠟?zāi)＝M的強(qiáng)度，并且在操作過(guò)程中要認(rèn)真，防止模組發(fā)生垮塌或蠟?zāi)．a(chǎn)生裂紋。
3.3.1制殼操作
由于模組輪廓尺寸超出現(xiàn)有涂料生產(chǎn)機(jī)械手的規(guī)格限制，只能手工涂料，增加了模組沾漿和撒砂均勻性的難度，涂料工藝穩(wěn)定性差。為此設(shè)計(jì)制造了專用涂料吊軸，采用吊車和人工旋轉(zhuǎn)涂料。
3.3.2制殼工藝材料研究
高密度夾雜和熒光線性顯示一直是鈦合金鑄件的主要缺陷，型殼質(zhì)量穩(wěn)定性不高是主要原因之一。為進(jìn)一步提高鈦合金鑄件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，采用堿性制殼材料（硅溶膠為主）替代酸性制殼材料（以二醋酸鋯為主），型殼經(jīng)涂料焙燒后，表面質(zhì)量良好，無(wú)表面裂紋和面層脫落現(xiàn)象。經(jīng)X光透視表明，鑄件高密度夾渣缺陷大幅度減少。
3.4熔化澆注工藝技術(shù)研究
正確選擇與控制熔煉工藝參數(shù)，是保證獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于鈦合金是活潑性金屬，熔融狀態(tài)容易與N2、O2、H2等氣體發(fā)生反應(yīng)，因此鈦合金熔煉和澆注過(guò)程要在真空狀態(tài)下進(jìn)行，既防止鈦液氧化，又防止合金內(nèi)的N2、O2、H2含量超出標(biāo)準(zhǔn)要求。
工藝參數(shù)確定。
?。?）真空度。防止熔融鈦液氧化，選擇較高的真空度，真空壓力需小于4 Pa。
?。?）電參數(shù)。由于鑄件輪廓尺寸大、壁厚薄，要得到完整的鑄件，需要較高的熔煉溫度，對(duì)于真空電弧熔煉，在保證電壓不能過(guò)高的情況下，提高溫度的關(guān)鍵是要盡量提高熔煉電流。同時(shí)，為使設(shè)備熔煉過(guò)程處于安全狀態(tài)，在提高熔煉電流的同時(shí)要防止斷弧和偏弧。綜合上述分析，采用的熔煉電參數(shù)為：熔化電壓為34～50 V；熔化電流為28 000～32 000 A；熔化量按照模組重量計(jì)算。
（3）離心轉(zhuǎn)速。提高離心轉(zhuǎn)速是大型、薄壁鑄件充型的關(guān)鍵，根據(jù)理論計(jì)算公式為：
式中：n為離心盤轉(zhuǎn)速（r/min）；G為重力系數(shù)；R為離心盤旋轉(zhuǎn)中心到鑄件的最短距離（cm）?？紤]鑄件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，計(jì)算選用的離心轉(zhuǎn)速為200 r/min。
此外，因鑄件外輪廓尺寸較大，制作了專用的裝爐箱以保證型殼有足夠的強(qiáng)度承受設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的離心力，如圖9所示。
圖9裝箱、裝爐示意圖
Fig.9 Schematic diagram of packing and furnace loading
3.5鑄件后處理尺寸控制
3.5.1鑄件熱處理防變形工裝設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)比熱等靜壓前后鑄件尺寸發(fā)現(xiàn)，鑄件經(jīng)熱等靜壓處理后存在一定的變形量。為此依據(jù)鑄件在熱等靜壓過(guò)程中的裝爐方式，從避免鑄件變形考慮，設(shè)計(jì)了圖10所示的熱等靜壓防變形工裝。同時(shí)為滿足現(xiàn)場(chǎng)研制要求，焊接制造了簡(jiǎn)易熱等靜壓卡板，應(yīng)用后對(duì)鑄件防變形起到了一定效果，熱等靜壓后鑄件經(jīng)劃線檢查曲面偏差能控制在1.5 mm左右。
圖10熱處理防變形工裝
Fig.10 Deformation prevention tooling for heat treatment
3.5.2鑄件真空蠕變熱矯形工藝優(yōu)化研究
為了保證鑄件變形后的尺寸形狀和位置精度，設(shè)計(jì)制造了熱矯形模具，并進(jìn)行了熱矯形工藝實(shí)驗(yàn)。在鑄件研制中優(yōu)化了兩種整體熱矯形工裝設(shè)計(jì)思路，具體見表2中優(yōu)化方案1和2。
表2熱矯形工藝方案對(duì)比
Table 2 Comparison of thermal orthopedic procedures
利用優(yōu)化方案2的矯形模對(duì)鑄件進(jìn)行矯形后，鑄件經(jīng)劃線檢查和三坐標(biāo)擬合檢查后，曲面的尺寸偏差能控制在1.5 mm左右。
3.6某鈦合金異形結(jié)構(gòu)件研制結(jié)果
（1）對(duì)制模、組合、涂料、熔煉澆注、熱矯形等鑄造過(guò)程采取的技術(shù)措施有效、可控。
?。?）鑄件質(zhì)量符合GJB2896A之I類B級(jí)驗(yàn)收要求、尺寸狀態(tài)符合HB6103—2004/CT7。經(jīng)裝機(jī)試驗(yàn)，滿足使用要求。
4結(jié)束語(yǔ)
大型復(fù)雜鈦合金整體鑄件已經(jīng)成為鈦合金熔模鑄造的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)相關(guān)技術(shù)與國(guó)外相比仍存在較大差距。為減少質(zhì)量波動(dòng)、提高鑄件質(zhì)量，以下鑄造關(guān)鍵過(guò)程的控制尤為重要：
（1）確定合理制模參數(shù)及蠟?zāi)７雷冃未胧┦谴笮蛷?fù)雜鈦合金鑄件精密鑄造尺寸精度控制的關(guān)鍵；采用熱矯形對(duì)鑄件尺寸進(jìn)行控制是應(yīng)對(duì)大型復(fù)雜鈦合金鑄件精密鑄造尺寸變形的重要方法；
?。?）針對(duì)大型復(fù)雜鈦合金鑄件，應(yīng)適當(dāng)增加離心轉(zhuǎn)速、提高預(yù)熱溫度，在離心半徑較小部位及厚大部位加大冒口補(bǔ)縮，能有效提高質(zhì)量；
?。?）采用計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可縮短大型復(fù)雜鈦合金鑄件研制周期，快速提升產(chǎn)品質(zhì)量。
結(jié)語(yǔ)
大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)的瑰寶，不僅展示了人類智慧的結(jié)晶，更為推動(dòng)工業(yè)發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，我們有理由相信，這一技術(shù)將在未來(lái)繼續(xù)書寫輝煌篇章，為人類社會(huì)的進(jìn)步貢獻(xiàn)更多力量。
文章引用：冉興,呂志剛,曹建等.大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)[J].鑄造,2021,70(02):139-146.
揭秘大型復(fù)雜鈦合金鑄件熔模精密鑄造技術(shù)：從無(wú)到有，鑄造輝煌
03-20-2024
