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        薄壁腔體ZTC4合金支架熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)

        2020-07-08 08:34:12程亞珍楊光孫宏喆梁彩艷
        金屬加工(熱加工) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:冒口方形腔體

        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。

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