用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳及其制备方法，该薄壁石墨型壳包括内模和外模，内模与外模之间形成型腔，内模和外模形成的型壳为薄壁随型结构。该制备方法包括以下步骤：设计薄壁石墨型壳的结构和壁厚；采用机械加工的方法制作薄壁石墨型壳组件；将薄壁石墨型壳组件进行真空除气处理；将薄壁石墨型壳组件进行组装；将薄壁石墨型壳整体进行预热处理；将薄壁石墨型壳整体放入真空自耗电弧炉或者真空感应炉内，然后进行钛及钛合金的浇注、充型；拆卸薄壁石墨型壳组件并对其进行清理。本发明专利技术使得钛合金的铸造易于实现，便于操作，可应用于难熔合金、流动性差的合金的浇注，也可应用于局部组织性能有细化晶粒需求的铸件的浇注。需求的铸件的浇注。需求的铸件的浇注。

【技术实现步骤摘要】
用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料铸造
，具体涉及一种用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳及其制备方法。

技术介绍

[0002]众所周知，钛合金因其具有卓越的综合性能，已成为现代工业中不可或缺的先进结构材料。然而，钛合金本身具有高的化学活性，会导致其在传统的加工方式下较难成形，尤其对于某些具有薄壁特征的复杂构件而言，更是难于成形。
[0003]铸造工艺是较为常规的制造钛合金铸件的方法。目前主要的铸造工艺以近净成形工艺的熔模精密铸造技术为主，该技术也取得了最为世人所瞩目的成绩。熔模精密铸造是一种采用可溶性一次模料制得型壳并浇注成件的方法。熔模精密铸造具有如下优势：铸件的表面粗糙度低(Ra＝1.6
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3.2μm)、铸件的尺寸精确、原材料利用率高(70
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90％)、不受合金种类的限制、可铸造各种结构复杂的铸件等。钛合金的熔模精密铸造技术已经发展成为世界制造领域中不可取代的基础工艺之一。
[0004]然而，随着对航空航天铸件要求的不断提高，熔模精密铸造工艺的缺点也越来越凸显出来：(1)研制周期长，从模具加工到型壳制备，再到浇注等工序，小型铸件需要30
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40个工作日，大型铸件需要60
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90个工作日，尤其是型壳的制备工序(20天)必不可少；(2)工序繁多，大小工序多达20个，会导致铸件的质量不稳定，尤其是尺寸波动较大，型壳质量也会随着季节、气候、温湿度的变化产生波动；(3)通常情况下粘结剂会对环境产生污染。因此，急需开发一种用于制造钛及钛合金铸件的型壳及其制备方法。
[0005]申请公布号为CN102974761A的专利技术专利公开了一种钛及钛铝基合金熔模精密铸造锆酸钙模壳的制备方法，包括以下步骤：把锆酸钙粉倒入锆溶胶中充分混合，加入润湿剂和烧结助剂混合均匀，制成惰性隔离层料浆，把料浆涂挂在蜡模上，撒上锆酸钙砂，形成模壳的惰性隔离层；把铝矾土粉或煤矸石粉与硅溶胶混合均匀，制成背层强化层料浆，涂挂料浆，撒铝矾土或煤矸石砂，形成模壳的背层强化层；蜡型脱除，高温烧结。该技术方案采用传统的熔模精密铸造工艺，众所周知，熔模精密铸造工艺存在上述多个缺点，而且对于钛及钛铝基合金而言，采用传统的熔模精密铸造工艺，成形效果较差，甚至很难成形。
[0006]申请公布号为CN114535504A的专利技术专利公开了一种钛合金铸件、型壳及型壳制备方法，其中型壳制备方法包括：制作支撑芯骨和中心芯骨；制作内置中心芯骨的浇注系统蜡模；制作结构件蜡模和冒口蜡模；将浇注系统蜡模和冒口蜡模连接于结构件蜡模的两侧，将支撑芯骨连接于冒口蜡模远离结构件蜡模的一侧，连接支撑芯骨和中心芯骨，得到整体蜡模；对整体蜡模进行型壳制备，并在制备完成后执行蜡模脱蜡工序，得到钛合金铸件的型壳。该技术方案同样采用传统的熔模精密铸造工艺，然而熔模精密铸造工艺存在诸多缺点，对于钛合金铸造而言，很难成形。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，包括内模和外模，所述内模与所述外模之间形成铸件型腔，所述内模和所述外模形成的型壳为薄壁随型结构。
[0008]本专利技术采用薄壁随型结构，石墨型壳的壁厚根据铸件的结构、大小不同而变化，对于尺寸小、结构复杂的铸件，石墨型壳的壁厚薄一些，对于尺寸大的铸件，石墨型壳的壁厚厚一些，此外石墨型壳可以等壁厚，也可以不等壁厚，具体壁厚根据实际浇注情况而定或者通过多次反复试验而定，最终通过调整石墨型壳的厚度达到液钛浇注时型壳不破裂、液钛凝固时型壳溃散的效果。
[0009]本专利技术中，为了控制石墨型壳的退让性，针对铸件应力较大的部位，可以在对应的内模和/或外模上进行打断处理，断口处留出1
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2mm间隙，在打断的部位使用金属材料(如铝合金、铜合金等低熔点合金材料)的定位销固定住。在浇注液钛时，温度升高，当温度达到金属材料的熔点时，定位销熔化，打断部位的内模和/或外模的模块活动，进行退让。因为石墨本身没有退让性，所以通过将内模和/或外模打断的方式控制石墨型壳的退让性，使合金液充型更好，减少铸造应力和缺陷。
[0010]优选的是，所述型壳的上方设置上固定板，所述型壳的下方设置下固定板，所述上固定板与所述下固定板之间设置加强筋板。
[0011]在上述任一方案中优选的是，所述内模和所述外模的材质均为石墨，所述上固定板、下固定板、加强筋板的材质为石墨和/或不锈钢。本专利技术采用石墨制作内模和外模，因为石墨在钛及钛合金的浇注温度下与液态钛只发生微弱的反应，其沾污层厚度小于常规氧化钇熔模精密铸造工艺的沾污层厚度，石墨型壳不易剥落，其内部夹杂缺陷少于常规氧化钇熔模精密铸造工艺的沾污层夹杂缺陷。
[0012]在上述任一方案中优选的是，在所述上固定板和所述下固定板上设置加热电极。
[0013]在上述任一方案中优选的是，在所述内模和/或所述外模上设置铸铁冷凝块。
[0014]对于制造常规的钛合金铸件：薄壁石墨型壳包括内模和外模，在型壳的上方设置上固定板，在型壳的下方设置下固定板，在上固定板与下固定板之间设置加强筋板。
[0015]对于制造钛铝合金铸件或者流动性差的合金铸件：薄壁石墨型壳包括内模和外模，在型壳的上方设置上固定板，在型壳的下方设置下固定板，在上固定板与下固定板之间设置加强筋板，同时需要在上固定板和下固定板上设置加热电极。
[0016]对于制造局部组织需要调控的铸件：薄壁石墨型壳包括内模和外模，在型壳的上方设置上固定板，在型壳的下方设置下固定板，在上固定板与下固定板之间设置加强筋板，同时需要在内模和/或外模上设置铸铁冷凝块。在实际操作中，将局部组织需要调控的部位所对应的内模和/或外模上的型壳去除掉，然后将相应形状的铸铁冷凝块补充在去除掉的位置，最后做好密封处理。
[0017]本专利技术还提供一种用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳的制备方法，用于制备上述任一项所述的用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，按照先后顺序包括以下步骤：
[0018]步骤一：根据需要制造的钛及钛合金铸件的结构和大小设计薄壁石墨型壳的结构和壁厚；
[0019]步骤二：采用机械加工的方法制作薄壁石墨型壳组件；
[0020]步骤三：将薄壁石墨型壳组件进行真空除气处理；
[0021]步骤四：待真空除气处理完成后，根据设计图纸将薄壁石墨型壳组件进行组装；
[0022]步骤五：待组装完成后，将薄壁石墨型壳整体进行预热处理；
[0023]步骤六：待预热处理完成后，将薄壁石墨型壳整体放入真空自耗电弧炉或者真空感应炉内，然后进行钛及钛合金的浇注、充型；
[0024]步骤七：待浇注、充型完成后，拆卸薄壁石墨型壳组件，并对薄壁石墨型壳进行清理。
[0025]优选的是，步骤三中，薄壁石墨型壳组件的真空除气处理工艺为：加热温度920
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980℃，保温时间2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，包括内模和外模，所述内模与所述外模之间形成铸件型腔，其特征在于：所述内模和所述外模形成的型壳为薄壁随型结构。2.根据权利要求1所述的用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，其特征在于：所述型壳的上方设置上固定板，所述型壳的下方设置下固定板，所述上固定板与所述下固定板之间设置加强筋板。3.根据权利要求2所述的用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，其特征在于：所述内模和所述外模的材质均为石墨，所述上固定板、下固定板、加强筋板的材质为石墨和/或不锈钢。4.根据权利要求3所述的用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，其特征在于：在所述上固定板和所述下固定板上设置加热电极。5.根据权利要求3所述的用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，其特征在于：在所述内模和/或所述外模上设置铸铁冷凝块。6.一种用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳的制备方法，用于制备权利要求1
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5中任一项所述的用于制造钛及钛合金铸件的薄壁石墨型壳，按照先后顺序包括以下步骤：步骤一：根据需要制造的钛及钛合金铸件的结构和大小设计薄壁石墨型壳的结构和壁厚；步骤二：采用机械加工的方法制作薄壁石墨型壳组件；步骤三：将薄壁石墨型壳组件进行真空除气处理；步骤四：待真空除气处理完成后，根据设计图纸将薄壁石墨型壳组件进行组装；步骤五：待组装完成后，将薄壁石墨型壳整体进行预热处理；步骤六：待预热处...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄东，胡海涛，左家斌，黄宏，纪志军，赵文正，南海，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：