薄壁腔體ZTC4合金支架熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)

程亞珍，楊光，孫宏喆，梁彩艷

洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

1 序言

ZTC4鈦合金是α＋β兩相合金，具有優(yōu)良的耐蝕性、較低的密度、高的比強(qiáng)度及良好的韌性等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于航空航天、船舶等領(lǐng)域。隨著航空航天結(jié)構(gòu)件的輕量化、整體化的發(fā)展，鑄件結(jié)構(gòu)向薄壁化、復(fù)雜化發(fā)展，這類(lèi)鑄件外廓尺寸壁薄、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)近凈成形鑄造的難度很大。本文介紹了采用熔模鑄造成形技術(shù)生產(chǎn)薄壁腔體結(jié)構(gòu)ZTC4合金支架的鑄造工藝。

2 鑄件概況

支架主要由主腔體、方形框架、凸臺(tái)組成，腔體壁厚為3mm，凸臺(tái)處壁厚為40mm，凸臺(tái)與腔體連接處的壁厚比為1∶13，屬大壁厚比薄壁腔體類(lèi)結(jié)構(gòu)。

支架的材質(zhì)為ZTC4，內(nèi)部質(zhì)量符合GJB 2896—1997要求，鑄件尺寸精度按GB/T 6414—2017中CT7級(jí)設(shè)計(jì)，鑄件化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 鑄件化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 力學(xué)性能要求

3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

3.1 工藝分析

鑄件由一個(gè)大壁厚比腔體結(jié)構(gòu)和一個(gè)方形框架構(gòu)成，整體長(zhǎng)度為428m，寬度為86mm。腔體結(jié)構(gòu)的壁厚比為1∶13，鑄造過(guò)程中在薄壁與厚壁的連接處以及厚壁熱節(jié)處易產(chǎn)生縮孔和裂紋等鑄造缺陷，影響鑄件質(zhì)量，嚴(yán)重的甚至報(bào)廢，且方形框架201mm×198mm，易產(chǎn)生扭曲變形。

鑄件薄壁腔體比較狹長(zhǎng)，方形框架呈角度與腔體連接，整體鑄件易變形，采用模具制作蠟?zāi)r(shí)，蠟?zāi)５某叽缇入y以保證，需采用光敏樹(shù)脂模，但由于光敏樹(shù)脂模脫蠟時(shí)灰分比較高，易產(chǎn)生夾雜類(lèi)鑄造缺陷，鑄件的內(nèi)部質(zhì)量難以保證。鑄件主體形狀差異大、不規(guī)則，鑄件偏心嚴(yán)重，因此需采用靜澆工藝。鈦合金鑄件過(guò)熱度低，靜止?jié)沧r(shí)壓頭較小，相對(duì)來(lái)說(shuō)鈦液的補(bǔ)縮距離較短，冒口作用范圍小，使支架鑄件易在壁厚比大處形成縮孔和分散的縮松。

綜上所述，該支架熔模精密鑄造對(duì)澆冒工藝的設(shè)置最為關(guān)鍵。

3.2 制殼工藝

鈦合金支架采用熔模鑄造制殼工藝：稀土粉+硅溶膠和莫來(lái)粉+硅溶膠工藝制作型殼。型殼制造分為面層、背層，支架鑄件采用10層半的制殼工藝，其中第1層為面層，其余為背層，面層漿料采用稀土粉+硅溶膠，漿料涂掛性好，有良好的潤(rùn)濕性和工藝性能，適用于手工流涂操作。背層漿料采用莫來(lái)粉+硅溶膠，涂第2～10層，每層風(fēng)干24h，半層只浸漿不撒砂，制殼完畢的型殼厚度約為25mm。

型殼采用蒸汽脫蠟，由于采用光敏樹(shù)脂模，脫蠟時(shí)需要保持通風(fēng)，保證脫蠟效果，防止夾雜缺陷。脫蠟完畢的型殼需要在焙燒爐焙燒，在950℃保溫5h，然后降溫至700℃出爐空冷。

3.3 澆冒口工藝設(shè)計(jì)

鈦合金鑄件的補(bǔ)縮能力小，補(bǔ)縮距離短，冒口的作用范圍小，鈦合金澆注工藝的配置與尺寸是否合理，會(huì)直接影響鑄件質(zhì)量。合理的澆注工藝不僅要保證金屬順利注入，充滿熔模型腔，而且要有效地調(diào)節(jié)鑄件各部位的溫度，保證鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固，又不使鑄件產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力。選擇鑄件在模殼中的位置時(shí)，需保證鑄件向冒口方向順序凝固、鑄件厚壁部分放置在上部、鑄件較大平面部分應(yīng)垂直放置的原則。根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩種澆冒口工藝：一種是凸臺(tái)水平放置的階梯式澆注工藝；另一種是凸臺(tái)垂直放置的頂注式澆注工藝。

（1）階梯式澆注工藝 考慮到鈦合金的補(bǔ)縮能力小、大壁厚比部位需要補(bǔ)縮的因素，首先采取凸臺(tái)水平放置的階梯式澆注工藝，如圖1所示。在法蘭處設(shè)置φ15mm內(nèi)澆道，腔體上部、方形框架頂部、方形框架中下部分別設(shè)置φ30mm內(nèi)澆道，澆道截面積比為∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)＝1∶1.2∶2，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式澆注，確保鈦液快速平穩(wěn)充型，防止?jié)膊蛔闳毕?。在支架的大壁厚比位置設(shè)置冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，為了保證光敏樹(shù)脂模的脫蠟效果，冒口設(shè)置為圓臺(tái)形，利用模數(shù)法計(jì)算冒口大小，與鑄件相連的圓臺(tái)直徑為32mm、頂部圓臺(tái)直徑為30mm。

圖1 階梯式澆注工藝

（2）頂注式澆注工藝 為防止方形框架變形，且防止支架的大平面朝上產(chǎn)生夾雜缺陷，設(shè)計(jì)了大壁厚比凸臺(tái)垂直放置的頂注式澆注工藝，如圖2所示。支架的大平面部分及大壁厚比凸臺(tái)位于垂直方向，在法蘭面設(shè)置φ15mm內(nèi)澆道，在腔體頂部、方形框架的左側(cè)頂部、方形框架的右側(cè)頂部分別設(shè)置φ32mm內(nèi)澆道，澆道截面積比為∑F直∶∑F橫∶∑F內(nèi)=1∶1.2∶2.6，將開(kāi)放式澆注工藝的比例擴(kuò)大，為了提高頂注式澆注的平穩(wěn)性。在大壁厚比的凸臺(tái)處設(shè)置側(cè)補(bǔ)縮冒口，根據(jù)熱節(jié)法確定冒口連接處的直徑，由于鈦合金的補(bǔ)縮能力小，因此設(shè)置補(bǔ)償系數(shù)為1，熱節(jié)的厚度為40mm，側(cè)冒口的直徑為40mm。

圖2 頂注式澆注工藝

4 試驗(yàn)結(jié)果

鑄件澆注在真空自耗電凝殼爐中進(jìn)行，采用靜澆工藝，實(shí)行同爐澆注兩種不同澆注工藝的支架，保證澆注工藝的一致性，以便確定兩種不同澆注工藝的適用性及合理性。澆注后的支架經(jīng)過(guò)清殼、去除澆冒口、噴砂等后處理工序后，根據(jù)支架的技術(shù)要求，對(duì)兩種澆注工藝生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行全面質(zhì)量檢驗(yàn)。

階梯式澆注工藝的鈦合金支架夾角部位有輕微掉渣，冒口去除后有大的縮孔（見(jiàn)圖3），方形框架部位扭曲變形，校正后整體尺寸符合圖樣要求。

頂注式澆注工藝的鈦合金支架腔體表面有輕微掉渣，噴砂并去除冒口后無(wú)縮孔缺陷（見(jiàn)圖4），整體尺寸符合圖樣要求。

圖3 階梯式澆注工藝支架鑄件

圖4 頂注式澆注工藝支架鑄件

熱等靜壓后X射線檢測(cè)，兩種澆注工藝的鈦合金支架均滿足技術(shù)要求，在（700±10）℃下保溫2h進(jìn)行退火處理后，附鑄試樣的性能及化學(xué)成分均符合技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）使用光敏樹(shù)脂模，采用硅溶膠的制殼工藝，可以生產(chǎn)出薄壁腔體鈦合金支架鑄件。

2）利用熱節(jié)法設(shè)計(jì)冒口、凸臺(tái)垂直放置頂注式澆注工藝，最適用于澆注該類(lèi)型結(jié)構(gòu)的鈦合金支架鑄件。

3）利用熱節(jié)法設(shè)計(jì)冒口、凸臺(tái)垂直放置的頂注式澆注工藝研制的同結(jié)構(gòu)B型、C型支架，鑄件的內(nèi)外部質(zhì)量、尺寸、化學(xué)成分及力學(xué)性能均符合技術(shù)要求，驗(yàn)證了該工藝的可行性。