钛合金锻造新技能探索之消失模覆壳锻造技能-片头模版

2017年我国钛铸件产量为417 t，受军工及高端民品等钛铸件强劲需求拉动，2018年钛铸件产量达到708 t[3]，同比增长69.8%，2019年中国钛铸件实际产量或可达1000 t，市场规模约10~20亿元。

钛的高化学活性，使其浇注时与石英砂、刚玉等常规铸型材料均发生激烈化学反应，产生铸造毛病，只能选择价格昂贵的石墨、氧化锆、氧化钇等作为与钛液打仗的面层铸型材料，并逐渐发展形成目前工厂批量生产运用的机加工石墨型和熔模铸造两种主流工艺。
但受钛原材料价格高，钛合金铸造难度大、生产流程长、装备及工艺繁芜、铸型材料昂贵等成分影响，钛铸件价格要比铸钢件高10~50倍或以上，限定了钛铸件产品进一步推广运用，导致市场规模仍旧较小。
此外，机加工石墨型铸造存在充型能力差，表面留痕、冷隔毛病严重问题；同时，熔模铸造生产大规格钛铸件时须要昂贵的大型射蜡机及配套生产线，设备及模具投资大，产能利用率低，生产周期长。

1合金消逝模覆壳铸造技能生产工艺

1.1消逝模覆壳铸造工艺流程

钛合金化学性子活泼，须要真空环境下熔炼及浇注，因此传统消逝模铸造工艺不能直接应用于钛铸件的生产。
消逝模覆壳铸造技能，充分发挥消逝模铸造上风，同时与熔模铸造技能相结合，利用EPS泡沫制备样子容貌后，利用其模型制备氧化陶瓷型壳，再进行真空浇注生产钛铸件，可得到靠近于钛合金熔模铸造的精度和表面质量。
其紧张工序包括“泡沫模型制备→涂料制备→型壳制备→型壳焙烧→真空浇注”，详细工艺流程见图1。

图1 钛合金消逝模覆壳铸造工艺流程图

1.2泡沫模型制备工艺

消逝模模型制备方法可分为加工成形和发泡成形两类，可根据铸件形状构造、生产批量及质量哀求灵巧选用。
加工成形是将泡沫坯料，采取数控机床加工办法制备，表面粗糙度较大（见图2），适宜于构造大略、生产数量小的中大型铸件；发泡型是先制备金属模具，然后在金属模具内部发泡制备模型，模型表面光滑细腻（见图3），适用于具有一定批量，精度和粗糙度哀求比较高的铸件。
当铸件构造繁芜，其模型无法一次加工成形时，须要对模型进行构造设计，分片成型，并选择得当的粘结剂进行装置，应严格管控粘结剂用量及装置质量，以减少焙烧后残留物，避免由于装置结合不良，导致产生铸件凹痕、毛刺毛病。

(a)样子容貌整体 (b)表面质量

图2 加工成形EPS消逝模模型及表面质量

(a)样子容貌整体 (b)表面质量

图3 发泡成形EPS消逝模模型及表面质量

1.3 氧化陶瓷型壳制备工艺

泡沫模型机加工后表面粗糙，同时为避免泡沫模型与面层直接打仗，避免焙烧过程中泡沫残留物粘结在型壳表面，模型须要在制壳提高行浸蜡处理，既可改进钛铸件表面粗糙度，又能减少铸造毛病。
氧化陶瓷型壳面层采取稳定的氧化锆或氧化钇作为耐火填料，锆胶或氨胶作为粘结剂；背层可采取硅溶胶和马来粉配制的浆料进行制壳。
根据铸件大小型壳涂挂6~15层，每层涂挂中间将型壳进行干燥处理，严格掌握温度和湿度，避免胀壳及型壳裂纹毛病。
随后将制备好的型壳放于焙烧炉，进行预热和高温焙烧，制备好的型壳即可用于钛合金铸件的浇注。
采撤消逝模覆壳铸造技能工艺制备的钛合金叶轮型壳及铸件见图4。

(a)叶轮型壳 (b)叶轮铸件

图4 叶轮型壳及铸件

2 钛合金消逝模覆壳铸造技能运用前景及上风

与铸钢、铸铁等金属大规模批量化生产不同，钛铸件产品普遍为单件定制或中、小批量生产。
现有技能，中等或大型尺寸钛铸件单件定制或小批量生产时，一样平常采取机加工石墨型铸造，但近年来受环保等成分影响，石墨价格由原来1~1.5万元/吨涨至3万元/吨以上，石墨型制备本钱占钛铸件总本钱达30~60%，对付大型繁芜框架式构造铸件占比更高，此外石墨型铸造无法生产壁厚≤4mm薄壁钛铸件，且表面流痕、冷隔、裂纹等毛病严重（见图5），后序打磨、补焊事情量大，生产本钱高，同时面临环保淘汰或限定退出的风险；中小型钛铸件批量化生产时，一样平常采取金属模具射蜡熔模铸造方法，但对付中大型铸件单件或小批量生产时，大型金属模具制作用度高昂，且加工周期长，同时大型射蜡机及制壳线投资较大、产能利用率低。
消逝模覆壳铸造具有上述两种铸造方法所不具备的优点，可有效降落钛铸件生产本钱，简化生产工序，缩短生产周期，并提高铸件质量。

与石墨型铸造比较，消逝模覆壳铸造具有如下上风，预期可降落石墨型铸造本钱30%以上，同时显著改进表面质量及交期：①设计灵巧，采取整体模型覆壳制备铸件，显著提高了铸件设计的自由度，同时通过EPS泡沫模片组合，可生产构造高度繁芜钛铸件；②氧化陶瓷型壳导热系数低、妥协性好，型腔表里面光滑，可办理石墨型铸件流痕、冷隔及裂纹毛病，使充型性能与表面粗糙度达到或靠近熔模铸造水平，并可以实现4mm以下繁芜薄壁铸件的生产；③无需型芯，可避免机加工石墨型型芯位置不准确或合型错位导致的壁厚不均等问题，尺寸精度高；④EPS泡沫价格便宜、易加工，可显著降落钛铸件本钱，缩短生产周期；⑤生产现场干净，无石墨粉尘污染，可知足清洁化生产哀求。

与钛合金熔模铸造技能比较，消逝模塑料泡沫比石蜡更为便宜，且在中大型尺寸铸件单件或小批量生产时，无需投资大型射蜡机及金属模具，即可实现生产，本钱和交期上风尤为突出。
消逝模覆壳铸造技能，对付降落中等或大批量化钛铸件生产本钱，同样具有较大开拓潜力。

(a)表面流痕 (b)冷隔

图5 加工石墨型钛铸件表面流痕、冷隔毛病

3 结束语

钛合金消逝模覆壳铸造技能具有生产操作大略、尺寸精度高、表面质量好、可成形高度繁芜铸件等优点，办理了机加工石墨型铸造流痕、裂纹、冷隔、充型性能差，以及大型射蜡机及模具投资大等问题，显著降落了钛合金铸件生产本钱，经济效益提升。
因此，结合钛铸件生产特性，充分挖掘EPS消逝模覆壳铸造潜力，进行技能创新及运用推广，对钛铸件低本钱化生产及扩大市场运用规模具有积极促进浸染。

来源：2020年第40卷第09期李渤渤钛合金消逝模覆壳铸造技能及运用前景