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(tǒng)：臥式階梯式澆注系統(tǒng)、頭錐置上頂注式澆注系統(tǒng)以及尾部朝上雨淋式澆注系統(tǒng)。結(jié)果表明，臥式階梯式澆注系統(tǒng)表面裂紋多且密集，不能滿足產(chǎn)品要求。兩種頂注式澆注系統(tǒng)表面裂紋少，能夠生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鈦合金頭罩。
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(chǎn)生裂紋、氣孔、夾雜等鑄造缺陷，嚴重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進度。根據(jù)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(yōu)質(zhì)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(tǒng)：臥式階梯式澆注系統(tǒng)、頭錐置上頂注式澆注系統(tǒng)以及尾部朝上雨淋式澆注系統(tǒng)。通過理論分析和實際澆注驗證，兩種頂注式澆注系統(tǒng)均可滿足鑄件使用要求，其中尾部朝上雨淋式澆注系統(tǒng)性能最理想。
1試驗方案及參數(shù)
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(wěn)定性好和耐火度高的優(yōu)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(yōu)質(zhì)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(jīng)過1次浸潤2次焙燒的普通石墨，該石墨韌性較差，雜質(zhì)含量高。為進一步提高鑄件的表面質(zhì)量，減少甚至避免表面微裂紋的產(chǎn)生，需要提高石墨的韌性。因此，對石墨進行了優(yōu)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(chǎn)中產(chǎn)生裂紋的傾向。
1．2石墨除氣
石墨鑄型對鑄件表面質(zhì)量有重要影響，當除氣不完全、石墨鑄型表面有氧化等現(xiàn)象出現(xiàn)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(diào)整后的除氣工藝：常溫下經(jīng)過2～3h升溫至700～800℃，保溫1h，再經(jīng)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(xù)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(tǒng)設計及優(yōu)化
鈦合金鑄件澆注系統(tǒng)的設計遵循鑄造的一般規(guī)律，但由于鈦合金結(jié)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(fā)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(tǒng)不必采用除渣措施，從而簡化了澆道的結(jié)構(gòu)［4］。
1．3．1臥式階梯式澆注系統(tǒng)
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(cè)澆與頂注相結(jié)合的工藝。其澆注系統(tǒng)見圖1，臥式階梯式澆注系統(tǒng)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(tǒng)［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(chǎn)生的過熱度為70～150℃，因此澆注溫度為1700～1750℃，根據(jù)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(tǒng)
為了盡量減少甚至避免表面裂紋的產(chǎn)生，采用頂注式澆注系統(tǒng)鑄造，金屬液從鑄型頂部進入頭罩石墨型。頂注式澆注系統(tǒng)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(chǎn)生，澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，便于造型，金屬消耗量也少。根據(jù)金屬頭罩的結(jié)構(gòu)特點，設計了2種頂注式澆注系統(tǒng)。工藝1為從頭錐部分開始澆注的頂注式澆注系統(tǒng)，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(tǒng)，合金液首先澆注金屬頭罩與艙體的連接部位。
2試驗結(jié)果
根據(jù)鈦合金頭罩的技術(shù)要求，對兩種頂注式澆注系統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鑄件進行了全面的質(zhì)量檢驗。對其化學成分進行了分析，結(jié)果符合GJB1538－92中技術(shù)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(jié)果符合GJB2896A－2007的技術(shù)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(jié)果符合設計要求。X射線探傷發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)品使用要求。
3結(jié)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(yōu)質(zhì)的鈦合金頭罩，頭錐置采用頂注式澆注系統(tǒng)以及尾部朝上雨淋式澆注系統(tǒng)均可滿足生產(chǎn)要求。成功解決了金屬頭罩的生產(chǎn)難題，生產(chǎn)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(yōu)化［J］．鑄造，2014，63（8）：828－830．
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［3］呂文斌．淺析消除鑄軋卷質(zhì)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(shù)值模擬［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009．
［5］柳吉榮，彭淑芳．鑄造工藝學［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2013．
［6］趙嘉琪，楊偉光，南海，等．熱等靜壓工藝參數(shù)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
