鈦合金鑄造用金屬鑄型研究

鈦合金鑄造用金屬鑄型研究

      金屬型工藝因具有模具加工污染小、可多次反復使用、生產效率高、批量生產時鑄件成本低，以及鑄件尺寸穩定、精度高等特點，被認為是鈦合金鑄件生產中最具潛力的工藝之一。然而，金屬型工藝的激冷作用較強，導致成形的鈦合金鑄件表面含有冷隔、流痕等缺陷，且金屬型工藝的使用壽命較短，限制了該工藝的廣泛應用。經研究表明，在鑄型內腔涂敷一層涂層可以有效地解決上述問題。基于此，本文結合鈦合金用金屬型鑄型材料的界面導熱特性，研究了涂層制備工藝及其對鈦合金鑄件表面質量的影響。最終確定了最佳的鈦合金金屬型鑄造工藝，顯著地提高了鈦合金鑄件的批量生產。
 

　　鈦合金因具有高比強度、高比剛度、低密度、良好的生物相容性、優異的耐腐蝕性能和斷裂韌性等綜合性能，被廣泛用于航空航天、石油化工、生物醫療等領域。精密鑄造技術可實現復雜結構一次近凈成形，是鈦合金經濟高效成形的首選。
 

　　但在實際鑄造過程中，由于鈦合金在高溫熔融狀態下具有高化學活性的特點，因此鈦合金對鑄型材料提出了較高的要求。目前，常用的鈦合金鑄型材料主要包括石墨和氧化釔等稀土氧化物材料，上述鑄型材料近年來成本持續上漲，造型成本已占到鑄件成本的30%以上，導致鑄件成本長期居高不下。石墨型在澆注過程中容易損壞，使用壽命普遍較短，不利于鈦鑄件的批量生產；熔模陶瓷型工藝過程復雜，涉及模具設計和型殼多層涂掛、干燥與焙燒，一定程度上增加了鈦鑄件的生產周期。因此，如何針對不同鑄件選擇合適的工藝方法和鑄型材料成為鈦合金鑄造高質量、低成本、高效率、批量生產的關鍵。
 

　　金屬型工藝由于具有模具加工簡單、加工污染小、模具可多次反復使用、生產效率高、批量生產時鑄件成本低和鑄件尺寸穩定、精度高等特點，在非復雜鈦合金產品領域具有很廣闊的應用前景。當鈦合金采用金屬型工藝進行澆注成形時，與熔模陶瓷型工藝相比，成本降低約40%，鑄件的綜合力學性能更為優異，目前已應用金屬型鑄造技術制造了F119發動機的第4、5級高壓壓氣機阻燃鈦合金導流葉片。鈦合金排氣閥的金屬型鑄造工藝研究，分別采用金屬型和陶瓷型澆注了試樣，金屬型澆注的試樣的抗拉強度和屈服強度均相對較好。但金屬型工藝鑄型具有復雜度低，鑄件表面易產生流痕和冷隔、α脆性層等缺陷，厚大鈦鑄件易與鑄型發生熔焊粘結，鑄型的使用壽命低等特點，極大限制了其廣泛使用。
 

　　為了提高金屬型的使用壽命及消除因金屬型的激冷作用導致的鈦鑄件表面的冷隔、流痕和激冷層等缺陷，本文從金屬型的涂層工藝設計與鑄件表面質量分析等方面開展研究，為鈦合金鑄造高質量低成本批量生產奠定基礎。

 

  適用于鈦合金的金屬型鑄型材料應滿足幾方面的要求。

　　（1）具有較高的熔點：鈦合金熔點高，為避免在凝固過程中鑄型熔化變形，致使鑄型與鈦鑄件發生粘結。因此，鑄型材料需具有較高的熔點。

　　（2）具有適當的導熱能力：鑄型導熱能力強有利于提高鈦液冷卻能力，可顯著細化鈦鑄件內部組織，提高鈦鑄件的力學性能，但過高的導熱能力不利于鈦液充型，易產生冷隔、流痕、微裂紋等缺陷。因此，金屬鑄型的導熱能力要適中。

　　（3）具有較高的硬度、室（高）溫強度、良好的機械加工及補焊性能，抗熱疲勞性能好、在反復冷熱循環下的尺寸穩定性好等特點。

　　（4）鑄型材料成本及造價低廉。

　　綜上， 對比金屬材料的物理性能， 并綜合考慮成本因素，選擇鑄鋼作為鑄型材料，具體材質為4Cr5MoV1Si模具鋼。
 

　　1.2　 金屬鑄型涂層工藝選擇

　　基于其他金屬的金屬型鑄造實踐表明，在金屬型內腔涂覆涂層可以有效地解決該鑄造工藝所帶來的鑄件缺陷，而鈦合金在高溫熔融狀態下具有較高的化學活性，幾乎能與所有鑄型材料發生界面反應，因此在鈦合金鑄型內腔表面涂覆一層穩定的陶瓷涂層更顯得尤為重要。

 

　　選擇涂層材料的主要原則是：粉末材料要具有較高的耐火度、抗熱震性和良好的保溫性或良好的導熱性，與鈦液發生較小的界面反應，因此，從常用的鑄鈦用耐火氧化物中選取涂層材料。難熔氧化物結合自由能與溫度關系見圖
 

來源：搜鈦網
 

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