钛合金铸造用金属铸型研究

钛合金铸造用金属铸型研究

      金属型工艺因具有模具加工污染小、可多次反复使用、生产效率高、批量生产时铸件成本低，以及铸件尺寸稳定、精度高等特点，被认为是钛合金铸件生产中最具潜力的工艺之一。然而，金属型工艺的激冷作用较强，导致成形的钛合金铸件表面含有冷隔、流痕等缺陷，且金属型工艺的使用寿命较短，限制了该工艺的广泛应用。经研究表明，在铸型内腔涂敷一层涂层可以有效地解决上述问题。基于此，本文结合钛合金用金属型铸型材料的界面导热特性，研究了涂层制备工艺及其对钛合金铸件表面质量的影响。最终确定了最佳的钛合金金属型铸造工艺，显著地提高了钛合金铸件的批量生产。
 

　　钛合金因具有高比强度、高比刚度、低密度、良好的生物相容性、优异的耐腐蚀性能和断裂韧性等综合性能，被广泛用于航空航天、石油化工、生物医疗等领域。精密铸造技术可实现复杂结构一次近净成形，是钛合金经济高效成形的首选。
 

　　但在实际铸造过程中，由于钛合金在高温熔融状态下具有高化学活性的特点，因此钛合金对铸型材料提出了较高的要求。目前，常用的钛合金铸型材料主要包括石墨和氧化钇等稀土氧化物材料，上述铸型材料近年来成本持续上涨，造型成本已占到铸件成本的30%以上，导致铸件成本长期居高不下。石墨型在浇注过程中容易损坏，使用寿命普遍较短，不利于钛铸件的批量生产；熔模陶瓷型工艺过程复杂，涉及模具设计和型壳多层涂挂、干燥与焙烧，一定程度上增加了钛铸件的生产周期。因此，如何针对不同铸件选择合适的工艺方法和铸型材料成为钛合金铸造高质量、低成本、高效率、批量生产的关键。
 

　　金属型工艺由于具有模具加工简单、加工污染小、模具可多次反复使用、生产效率高、批量生产时铸件成本低和铸件尺寸稳定、精度高等特点，在非复杂钛合金产品领域具有很广阔的应用前景。当钛合金采用金属型工艺进行浇注成形时，与熔模陶瓷型工艺相比，成本降低约40%，铸件的综合力学性能更为优异，目前已应用金属型铸造技术制造了F119发动机的第4、5级高压压气机阻燃钛合金导流叶片。钛合金排气阀的金属型铸造工艺研究，分别采用金属型和陶瓷型浇注了试样，金属型浇注的试样的抗拉强度和屈服强度均相对较好。但金属型工艺铸型具有复杂度低，铸件表面易产生流痕和冷隔、α脆性层等缺陷，厚大钛铸件易与铸型发生熔焊粘结，铸型的使用寿命低等特点，极大限制了其广泛使用。
 

　　为了提高金属型的使用寿命及消除因金属型的激冷作用导致的钛铸件表面的冷隔、流痕和激冷层等缺陷，本文从金属型的涂层工艺设计与铸件表面质量分析等方面开展研究，为钛合金铸造高质量低成本批量生产奠定基础。

 

  适用于钛合金的金属型铸型材料应满足几方面的要求。

　　（1）具有较高的熔点：钛合金熔点高，为避免在凝固过程中铸型熔化变形，致使铸型与钛铸件发生粘结。因此，铸型材料需具有较高的熔点。

　　（2）具有适当的导热能力：铸型导热能力强有利于提高钛液冷却能力，可显著细化钛铸件内部组织，提高钛铸件的力学性能，但过高的导热能力不利于钛液充型，易产生冷隔、流痕、微裂纹等缺陷。因此，金属铸型的导热能力要适中。

　　（3）具有较高的硬度、室（高）温强度、良好的机械加工及补焊性能，抗热疲劳性能好、在反复冷热循环下的尺寸稳定性好等特点。

　　（4）铸型材料成本及造价低廉。

　　综上， 对比金属材料的物理性能， 并综合考虑成本因素，选择铸钢作为铸型材料，具体材质为4Cr5MoV1Si模具钢。
 

　　1.2　 金属铸型涂层工艺选择

　　基于其他金属的金属型铸造实践表明，在金属型内腔涂覆涂层可以有效地解决该铸造工艺所带来的铸件缺陷，而钛合金在高温熔融状态下具有较高的化学活性，几乎能与所有铸型材料发生界面反应，因此在钛合金铸型内腔表面涂覆一层稳定的陶瓷涂层更显得尤为重要。

 

　　选择涂层材料的主要原则是：粉末材料要具有较高的耐火度、抗热震性和良好的保温性或良好的导热性，与钛液发生较小的界面反应，因此，从常用的铸钛用耐火氧化物中选取涂层材料。难熔氧化物结合自由能与温度关系见图
 

来源：搜钛网
 

“宝鸡盛辉钛业有限公司，主营各种规格钛棒、钛加工件、钛异形件；我们钛棒的材料选用优良材质，符合标准，不偷工减料；我们钛棒的规格多样满足您的需求；我们钛棒的表面光滑、结构稳定、无凹凸、耐酸、耐碱、耐腐蚀、无裂纹。我们的目标是以优异的产品、可靠的质量、优越的终身效能费用比和有效的服务，满足顾客日益增长的需要，质量是我们的自尊心。我们的生产理念：质量至上、用户满意、精益求精、务实创新。”