真空環(huán)境下超硬金屬電子槍熔融成形技術(shù)研究*

□ 王 磊

淮南聯(lián)合大學(xué) 智能制造學(xué)院 安徽淮南 232038

1 研究背景

在真空環(huán)境下,金屬材料澆鑄成形可以保護(hù)金屬中的活性物質(zhì),使金屬材料在熔化、澆鑄、燒結(jié)等過(guò)程中不被氧化,同時(shí)可以避免加入的某些少量元素在高溫中被除去，有害氣體雜質(zhì)等滲入,進(jìn)而有效提高成形材料的質(zhì)量。

筆者對(duì)真空環(huán)境下超硬金屬電子槍熔融成形技術(shù)進(jìn)行研究，論證在真空環(huán)境下適宜制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁精密鈦合金鑄件。電子槍熔融成形過(guò)程中溫度可控,熔池可以長(zhǎng)時(shí)間保溫,能夠提高過(guò)熱度,有利于復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁精密件的型腔充滿(mǎn),這是普通環(huán)境下澆鑄無(wú)法做到的[1]。

2 電子槍熔融成形真空裝置

電子槍熔融金屬成形真空裝置如圖1所示，兩個(gè)前置泵分別為擴(kuò)散泵和滑閥泵的前置機(jī)械泵，在真空室中設(shè)置有金屬顆粒熔融澆鑄裝置及其夾具等。

滑閥泵在前置泵的預(yù)置壓力下，使真空室獲得真空度接近于1 Pa的真空環(huán)境。啟動(dòng)擴(kuò)散泵及其前置泵,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間對(duì)真空室進(jìn)行空氣顆粒吸附排除,可以獲得真空度為0.1 Pa的真空環(huán)境。電子槍組件發(fā)射電子束,將固定在夾具上的金屬顆粒熔融澆鑄裝置內(nèi)的ZTiMo32鈦合金顆粒鑄件熔融并充滿(mǎn)型腔[2]。電子槍發(fā)射高能密度電子束流的原理如圖2所示。

▲圖1 電子槍熔融金屬成形真空裝置

燈絲通電加熱后在表面產(chǎn)生大量熱電子,在陽(yáng)極線(xiàn)圈和陰極線(xiàn)圈之間的高壓電場(chǎng)作用下,熱電子加速向陽(yáng)極線(xiàn)圈方向高速移動(dòng),獲得動(dòng)能。熱電子移動(dòng)速度的快速取決于加速電壓的高低[3]。在聚焦線(xiàn)圈的作用下，電子束流聚焦。在陰極線(xiàn)圈的作用下，電子束流發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整陰極線(xiàn)圈的強(qiáng)度來(lái)調(diào)整電子束流聚焦在熔融澆鑄裝置內(nèi)顆粒材料表面的位置[4]。

▲圖2 電子槍發(fā)射高能密度電子束流原理

金屬顆粒熔融澆鑄裝置電子槍發(fā)射陰極,根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),電子槍發(fā)射陰極的電流密度J可以取為50 mA/cm2。熔融澆鑄裝置的面積為S1,電流為I1，則功率W1為:

W1=JS1U1

(1)

式中：U1為電子槍工作電壓。

電子槍電源最大功率W2為：

W2=I1U1 max

(2)

式中：U1 max為電子槍最高電壓。

熔融澆鑄裝置的功率密度P為：

P=W1/S1

(3)

電子槍的工作電壓通常是幾十至幾百千伏,為防止高壓擊穿、束流散射及能量減損,真空室真空度必須保持在0.1 Pa級(jí)別[5-7]。

3 金屬顆粒熔融澆鑄裝置

鈦合金材料生產(chǎn)成本高,機(jī)械加工、鍛造、焊接等比較困難,特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁構(gòu)件而言。采用精密鑄造技術(shù)，可以提高鈦合金材料的利用率,降低生產(chǎn)成本。筆者在真空環(huán)境下采用金屬顆粒熔融澆鑄裝置熔融鈦合金材料，持續(xù)澆鑄被加熱型腔使其成形的工藝,可以獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁精密鈦合金鑄件[8]。

提高澆鑄溫度能夠改善金屬的流動(dòng)性。澆鑄溫度越高,金屬保持液態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng),黏度越小,流動(dòng)性越好[9]?？梢?jiàn)，適當(dāng)提高澆鑄溫度是改善液態(tài)金屬流動(dòng)性的工藝措施之一。另一方面，鑄型材料的導(dǎo)熱性、鑄型內(nèi)腔的形狀和尺寸等因素對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力都有影響[10]。

金屬顆粒熔融澆鑄裝置如圖3所示。

▲圖3 金屬顆粒熔融澆鑄裝置

金屬顆粒放置在坩堝內(nèi),只有被電子槍電子束流充分熔融的金屬顆?？梢越?jīng)篩網(wǎng)和澆鑄通道流入型腔。型腔是由型芯和模具外殼構(gòu)成的形狀比較復(fù)雜的薄壁空間。

模具外圍布置加熱管,充分保持澆鑄過(guò)程型腔的溫度,有利于提高液態(tài)鈦合金的充型能力。

4 優(yōu)選參數(shù)

采用平均直徑約為2.8 mm的顆粒狀ZTiMo32鈦合金材料[11]，借助電子槍熔融成形真空裝置對(duì)顆粒狀ZTiMo32鈦合金材料進(jìn)行熔融澆鑄試驗(yàn)，獲得的兩組優(yōu)選參數(shù)見(jiàn)表1。型腔薄壁厚度為3 mm,跨度尺寸為120 mm。

表1 電子槍熔融成形優(yōu)選參數(shù)

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)平均直徑約為2.8 mm的ZTiMo32鈦合金顆粒進(jìn)行真空環(huán)境下超硬金屬電子槍熔融成形技術(shù)研究,確認(rèn)了通過(guò)超硬金屬顆粒在真空環(huán)境下熔融充型,可以實(shí)現(xiàn)薄壁零件的鑄型工藝。在真空環(huán)境下獲得精密薄壁零件外形尺寸,對(duì)真空度的要求比較嚴(yán)苛,型腔的預(yù)熱溫度和保持溫度對(duì)熔融金屬顆粒充型能力起到重要作用。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)型腔尺寸余量,在真空環(huán)境下對(duì)超硬金屬進(jìn)行熔融成形,可以獲得滿(mǎn)足工藝要求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)薄壁精密件。