大型薄壁钛合金头罩铸造工艺设计及运用范文

摘要:采用石墨型铸造工艺制备了大型薄壁钛合金头罩铸件。针对头罩高度大、壁薄的特点，设计了3套浇注系统：卧式阶梯式浇注系统、头锥置上顶注式浇注系统以及尾部朝上雨淋式浇注系统。结果表明，卧式阶梯式浇注系统表面裂纹多且密集，不能满足产品要求。两种顶注式浇注系统表面裂纹少，能够生产出优质钛合金头罩。

关键词:钛合金；薄壁铸件；表面裂纹；铸造工艺

钛合金头罩高度为750mm，最大直径为300mm，壁厚仅为1．5mm，属大型薄壁钛合金铸件。其铸造难度大、工艺复杂，在铸造过程中易产生裂纹、气孔、夹杂等铸造缺陷，严重影响了产品质量和生产进度。根据石墨铸型本身的特点，从石墨选型和石墨除气两个方面提高了石墨铸型的性能，为浇注出优质钛合金铸件打下基础。针对大型薄壁钛合金头罩，设计了3套浇注系统：卧式阶梯式浇注系统、头锥置上顶注式浇注系统以及尾部朝上雨淋式浇注系统。通过理论分析和实际浇注验证，两种顶注式浇注系统均可满足铸件使用要求，其中尾部朝上雨淋式浇注系统性能最理想。

1试验方案及参数

钛合金头罩采用人造石墨铸型浇注［1］，石墨铸型具有强度高、热化学稳定性好和耐火度高的优点，随着温度的升高，强度反而增加，且对熔融钛有很好的润湿性，可浇注出优质钛合金铸件［2］。

1．1石墨选型

头罩研制时，初始使用的石墨为2mm颗粒大小的经过1次浸润2次焙烧的普通石墨，该石墨韧性较差，杂质含量高。为进一步提高铸件的表面质量，减少甚至避免表面微裂纹的产生，需要提高石墨的韧性。因此，对石墨进行了优化选型，选择了韧性较好的2次浸润3次焙烧的高韧性细颗粒石墨，从而降低了头罩铸件生产中产生裂纹的倾向。

1．2石墨除气

石墨铸型对铸件表面质量有重要影响，当除气不完全、石墨铸型表面有氧化等现象出现时，会加剧石墨铸型与钛液的反应，使铸件表面硬化层变厚，这种表面硬化层是一种脆性相，其厚度越厚则表面裂纹越多［3］。由于石墨铸型较厚，为保证其除气充分，需要延长升温时间。调整后的除气工艺：常温下经过2～3h升温至700～800℃，保温1h，再经过2～3h升温到900～1000℃，保温4h，随炉冷却至400℃以下出炉。采用该工艺获得的钛合金铸件表面裂纹少，降低了后续补焊工作的劳动强度。在浇注前对石墨铸型进行预热，预热温度为150～200℃，预热时间为1～2h。

1．3浇注系统设计及优化

钛合金铸件浇注系统的设计遵循铸造的一般规律，但由于钛合金结晶范围较窄，电弧熔炼浇注的金属过热度较低，以及钛密度小，真空下凝固压头比较小等特点，给钛合金铸件的顺序凝固带来困难。钛合金浇注时放气大，尤其当局部发生反应时，大量的气体对金属的注入流动造成明显的负面影响。但作为活性金属的钛合金进行真空熔炼，没有造渣的问题，因此对于不含夹杂的熔融钛的浇注，浇注系统不必采用除渣措施，从而简化了浇道的结构［4］。

1．3．1卧式阶梯式浇注系统

钛合金头罩的高度为750mm，试验采用的真空自耗电极电弧凝壳炉的最大浇注高度为800mm。考虑到钛合金铸造设备的限制以及浇注安全性，首先采取横向侧浇与顶注相结合的工艺。其浇注系统见图1，卧式阶梯式浇注系统对于铸件在分型面以下的部分是顶浇，对上部分则是底浇，故兼有顶注式和底注式的特点，广泛用于各种壁厚均匀、高度较低、水平尺寸较大的中、小型铸件。将金属头罩横向放置，可以显著降低其高度，因此可以应用卧式阶梯式浇注系统［5］。头罩采用ZTC4铸造钛合金，该合金的液相线温度为1635℃，由于铸造所采用的钛合金真空自耗电极炉能够产生的过热度为70～150℃，因此浇注温度为1700～1750℃，根据铸件部位的不同，凝固收缩率取0．6％～1．0％。

1．3．2顶注式浇注系统

为了尽量减少甚至避免表面裂纹的产生，采用顶注式浇注系统铸造，金属液从铸型顶部进入头罩石墨型。顶注式浇注系统对铸型底部冲击力大，利于顶部冒口对铸件的补缩，减少轴向缩松的倾向及冒口的体积。可减少薄壁铸件浇不足、冷隔等缺陷的产生，浇注系统的结构简单而紧凑，便于造型，金属消耗量也少。根据金属头罩的结构特点，设计了2种顶注式浇注系统。工艺1为从头锥部分开始浇注的顶注式浇注系统，合金液首先浇注金属头罩的头锥部分；工艺2为从尾部开始浇注的顶注式浇注系统，合金液首先浇注金属头罩与舱体的连接部位。

2试验结果

根据钛合金头罩的技术要求，对两种顶注式浇注系统工艺生产的铸件进行了全面的质量检验。对其化学成分进行了分析，结果符合GJB1538－92中技术要求。在600～700℃，保温1～2h退火处理后。对头罩力学性能试样进行了检验，结果符合GJB2896A－2007的技术要求。其抗拉强度达到了835MPa，伸长率为10％。对金属头罩铸造毛坯进行了尺寸检查，结果符合设计要求。X射线探伤发现，铸件满足Ⅲ类铸件要求。整个钛合金头罩只存在1～2道流痕，满足产品使用要求。

3结论

采用高韧性细颗粒石墨型，再进行5h的升温除气可以铸造出优质的钛合金头罩，头锥置采用顶注式浇注系统以及尾部朝上雨淋式浇注系统均可满足生产要求。成功解决了金属头罩的生产难题，生产的金属头罩满足使用要求。

参考文献

［1］王彦鹏，伞晶超，姚谦，等．钛合金泵体石墨型铸造工艺优化［J］．铸造，2014，63（8）：828－830．

［2］伞晶超．钛合金叶轮石墨型离心铸造工艺优化［J］．特种铸造及有色合金，2014，34（4）：413－415．

［3］吕文斌．浅析消除铸轧卷质量缺陷的措施［J］．科技资讯，2013（27）：79－80．

［4］王志刚．钛合金立式离心精密铸造凝固组织数值模拟［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009．

［5］柳吉荣，彭淑芳．铸造工艺学［M］．北京：机械工业出版社，2013．

［6］赵嘉琪，杨伟光，南海，等．热等静压工艺参数对ZTC4钛合金力学性能的影响［J］．材料工程，2011（10）：42－46.

作者：余国康；范李鹏；王宝兵；李宝辉；顾辉旺；杨剑 单位：上海航天精密机械研究所