專利名稱：高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件的精密鑄造方法，特別是一種利用調(diào)壓工藝進(jìn)行高溫合金薄壁鑄件熔模精密鑄造的新方法，屬于鑄造專業(yè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著精密鑄造技術(shù)的不斷發(fā)展，航天、航空、電力及核能領(lǐng)域使用的關(guān)鍵熱端部件的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，不僅朝著整體、薄壁空心方向發(fā)展，而且正逐步向結(jié)構(gòu)承載與氣體導(dǎo)流的結(jié)構(gòu)功能一體化方向發(fā)展，這些都要求構(gòu)件在具有更高承載能力的同時(shí)，必須具有更高的尺寸精度、更好的尺寸穩(wěn)定性、更優(yōu)異的疲勞性能和使用壽命。無(wú)疑，這些新需 求對(duì)鎳基高溫合金熔模精密鑄造體系提出了更高的要求。國(guó)外在上世紀(jì)前半葉就開始研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鎳基高溫合金的真空熔煉、精密鑄造技術(shù)，并于上世紀(jì)七八十年代在合金設(shè)計(jì)與熔模鑄造工藝技術(shù)方面獲得了突破性進(jìn)展，一系列的高性能鎳基高溫合金鑄件產(chǎn)品迅速獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。英國(guó)AE公司在新型航天飛行器上應(yīng)用了一系列復(fù)雜薄壁精鑄件，這些精鑄件的外形尺寸一般在300 600mm，最小壁厚達(dá)到0. 8 I. 5mm，而且可以對(duì)晶粒尺寸進(jìn)行控制，輔以熱等靜壓技術(shù)，使鑄件的疲勞壽命大幅度改善。美國(guó)Hitchiner公司、PCC公司和Howmet公司為美國(guó)GE發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造了一系列的大型薄壁整體鑄件，其中最小壁厚遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)同類鑄件。全英熔模鑄造貿(mào)易協(xié)會(huì)的Anon指出，反重力鑄造工藝用于航天航空鑄件的生產(chǎn)，可以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，是一個(gè)值得推廣的技術(shù)。美國(guó)愛荷華州的一家航天研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行美國(guó)航天局(NASA)資助的課題研究中，利用三種不同的Hitchiner反重力鑄造工藝還進(jìn)行了復(fù)雜薄壁網(wǎng)格狀I(lǐng)n718合金鑄件的研究。研究人員使用了 Hitchiner反重力鑄造工藝，但在具體實(shí)施時(shí)，由于采取了三組不同的鑄造工藝參數(shù)，得到了完整性差別很大的三組鑄件。鑄件由近千個(gè)網(wǎng)格狀單元體經(jīng)緯編織而成，得到的鑄件尺寸顯示，組成這些單個(gè)網(wǎng)格的高溫合金細(xì)絲的直徑范圍為1.62mm-1.523mm，平均值為I. 58mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0. 045mm，有著非常高的鑄造精度，但在NASA公開的報(bào)告里面，未提及任何鑄造參數(shù)和所使用的鑄造工藝方法。因此，從國(guó)外高溫合金鑄造的研究現(xiàn)狀來看，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密成型技術(shù)和裝備方面有著一定的基礎(chǔ)，并形成了大量的成型工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，但始終對(duì)中國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，相應(yīng)的技術(shù)資料很少公開報(bào)道，所以自主創(chuàng)新是我國(guó)發(fā)展大型鑄件精密鑄造技術(shù)的必由之路。而且隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，國(guó)外也在航空航天飛行器輕量化上開展大量研究，大量的復(fù)雜薄壁鑄件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。從國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，復(fù)雜薄壁鑄件的調(diào)壓鑄造工藝方法作為一種用于鋁鎂合金復(fù)雜薄壁鑄件生產(chǎn)的反重力鑄造工藝，在解決薄壁鑄件成型方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，隨著高溫合金薄壁鑄件的需求增加，探索該方法在高溫合金鑄造上的應(yīng)用是十分必要的。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)申請(qǐng)?zhí)枮?8106919. I的中國(guó)發(fā)明專利涉及到一種調(diào)壓鑄造方法。該專利提到調(diào)壓鑄造的重要應(yīng)用領(lǐng)域是航空、航天、航海、電子和兵器等國(guó)防工業(yè)中大型、復(fù)雜、高精度的鋁鑄件的生產(chǎn)，并沒有對(duì)高溫合金的精密鑄造提出工藝方案。并且，在該專利中，加熱方式為電阻加熱，所用鑄型為石膏型。加熱方式和鑄型材質(zhì)均不能適應(yīng)高溫合金熔模精密鑄造的要求。申請(qǐng)?zhí)枮?1209399. 8的中國(guó)發(fā)明專利涉及到一種真空和保護(hù)氣體循環(huán)加壓鑄造裝置，該裝置基于鎂合金鑄造，克服了氧化的問題、夾渣和氣孔等問題。裝置的設(shè)計(jì)思路仍然是基于申請(qǐng)?zhí)?8106919. I專利提出的，加熱方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也無(wú)法滿足高溫合金熔模精密鑄造的要求。專利號(hào)為200820232358. 7的實(shí)用新型專利涉及到一種準(zhǔn)調(diào)壓鑄造機(jī)，該專利提到所設(shè)計(jì)的調(diào)壓鑄造裝置成本較低，適用于鋁合金薄壁件的鑄造。但該專利在充型和凝固中的壓力控制不能在瞬間達(dá)到所要的壓差，未能實(shí)現(xiàn)真正意義上的壓力瞬時(shí)調(diào)節(jié)，因此命名為準(zhǔn)調(diào)壓鑄造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件調(diào)壓 鑄造方法，以滿足高溫合金熔模精密鑄造的要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明利用中頻感應(yīng)加熱電源熔化合金，調(diào)壓爐中采用中隔板隔開上下兩個(gè)罐體；上罐體內(nèi)安裝鑄型和升液管，升液管穿過中隔板進(jìn)入下罐體的坩堝內(nèi)；在安裝鑄型和升液管時(shí)，利用電葫蘆提升上罐，安裝完畢，利用與上下兩個(gè)罐體連接的氣路控制管路、真空系統(tǒng)和氣體罐實(shí)現(xiàn)調(diào)壓爐內(nèi)的真空度和壓力調(diào)節(jié)。本發(fā)明所述高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件調(diào)壓鑄造方法，具體步驟如下(I)根據(jù)不同的模殼材料，將鑄型和升液管在外置電阻爐中預(yù)熱至400°C、00°C。(2)安裝鑄型和升液管利用電葫蘆打開調(diào)壓爐上罐，同時(shí)將升液管穿過中隔板放好，然后在升液管的斜法蘭面上涂好脫脂棉，將鑄型放在升液管上固定好，向砂網(wǎng)內(nèi)倒入砂子，放上壓鐵將鑄型穩(wěn)固后蓋上上罐；
(3)抽真空將升液管插入下罐中的合金熔體中，立即將上下罐之間鎖緊，同時(shí)對(duì)上下罐及坩堝抽真空；(4)充型當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，向下罐內(nèi)充入氬氣，防止合金氧化，并使熔融合金在壓差的作用下沿著升液管壓入鑄型型腔；(5)保壓及增壓凝固當(dāng)充型完成后，在保持上下罐真空度不變的條件下，對(duì)上下罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，即充氬氣。使其壓力從負(fù)壓迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?，并根?jù)工藝需要，維持在設(shè)定的正壓值；(6)卸壓當(dāng)鑄件凝固完成后，立即對(duì)坩堝及真空罩卸壓，打開上蓋，將鑄型及砂子倒出，并分離。冷卻后將鑄件脫模。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明具有以下有益效果(I)高溫合金調(diào)壓熔模精密鑄造利用真空預(yù)處理、負(fù)壓充型、調(diào)壓凝固，正壓補(bǔ)縮等手段實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高效充型，實(shí)現(xiàn)鑄件順序凝固，可有效提升材料利用效率，實(shí)現(xiàn)近終凈形鑄造提供空間。(2)調(diào)壓鑄造技術(shù)采用了負(fù)壓充型方法并在最小壓差原則下實(shí)現(xiàn)正壓補(bǔ)縮，因而降低了對(duì)鑄型透氣性及強(qiáng)度的要求，可生產(chǎn)出用其他成型方法難以澆注的復(fù)雜、薄壁、整體金屬鑄件，解決復(fù)雜薄壁鑄件澆注中的充填問題。特別是對(duì)壁厚小于3mm的薄壁鑄件的充填能力有很大提升。(3)高溫合金調(diào)壓熔模精密鑄造所得的鑄件表面質(zhì)量好，完成澆冒口氣割打磨后鑄件本體表面基本不需要打磨。(4)高溫合金調(diào)壓熔模精密鑄造可以得到尺寸精度高的精密鑄件，鑄造精度可以達(dá)到CT4-CT6之間。


圖I為高溫合金調(diào)壓鑄造工藝時(shí)間-壓力曲線。圖2為高溫合金調(diào)壓鑄造裝置平面布置圖。圖3為高溫合金調(diào)壓鑄造爐結(jié)構(gòu)圖。圖中中頻感應(yīng)加熱電源I、調(diào)壓爐2、電葫蘆3、氣路控制管路4、真空系統(tǒng)5、氣體ifiS 6、鑄型7、升液管8、上Sig 9、中隔板10、砂網(wǎng)11、壓鐵12、下Sig 13。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖I所示，調(diào)壓鑄造過程中的壓力-時(shí)間變化曲線，本實(shí)施例中利用中頻感應(yīng)加熱電源I熔化合金，中隔板隔開上下兩個(gè)罐體，在安裝鑄型和升液管時(shí)，利用電葫蘆3提升上罐。安裝完畢，利用氣路控制管路4、真空系統(tǒng)5和氣體罐6實(shí)現(xiàn)調(diào)壓爐內(nèi)的真空度和壓力調(diào)節(jié)。如圖2-3所示，為高溫合金調(diào)壓鑄造裝置平面布置圖以及高溫合金調(diào)壓鑄造爐結(jié)構(gòu)圖。其中電葫蘆3置于調(diào)壓爐2正上方，中隔板10將調(diào)壓爐2的上罐9和下罐13分隔開。上罐9、下罐13及中隔板10之間采用活節(jié)螺絲桿夾緊。上罐9為拱頂結(jié)構(gòu)，拱頂上焊有供吊運(yùn)用的吊耳，并配有吊具。拱頂結(jié)構(gòu)側(cè)部殼體上開有一個(gè)抽氣(充氣)孔，下罐13內(nèi)安裝中頻感應(yīng)線圈，該線圈內(nèi)放置熔化合金用的氧化鋁坩堝，該線圈經(jīng)過下罐體13與中頻感應(yīng)加熱電源I連接。上罐9內(nèi)安裝鑄型7和升液管8，升液管8穿過中隔板10進(jìn)入下罐13的氧化鋁坩堝內(nèi)。在鑄型7和上罐9的內(nèi)殼中間安裝一砂網(wǎng)11。鑄型7上端安放壓鐵12用來壓固鑄型。上罐9和下罐10分別開有通氣孔，并在下罐13中裝有測(cè)溫?zé)犭娕?。調(diào)壓爐2外部布置有真空系統(tǒng)5 (2XZ-15真空泵、閥門、管道、過濾器、真空罐，球閥等組成)和氣路控制管路4。氣路控制管路4由計(jì)算機(jī)軟件控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓過程中的壓力變化。采用上述裝置進(jìn)行的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，具體操作步驟如下(I)根據(jù)不同的模殼材料，將鑄型7和升液管8在外置電阻爐中預(yù)熱至400 0C 900。。。(2)安裝鑄型7和升液管8 :利用電葫蘆3打開調(diào)壓爐上罐9，同時(shí)將升液管8穿過中隔板10放好，然后在升液管的斜法蘭面上涂好脫脂棉，將鑄型7放在升液管上固定好，向砂網(wǎng)11內(nèi)倒入砂子，放上壓鐵12將鑄型穩(wěn)固后蓋上上罐9 ；(3)抽真空將升液管8插入下罐13中的合金熔體中，立即將上下罐之間鎖緊，同時(shí)對(duì)上下罐及坩堝抽真空；(4)充型當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，向下罐13內(nèi)充入氬氣，防止合金氧化，并使熔融合金在壓差的作用下沿著升液管8壓入鑄型型腔；(5)保壓及增壓凝固當(dāng)充型完成后，在保持上下罐真空度不變的條件下，對(duì)上下罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，即充氬氣。使其壓力從負(fù)壓迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?，并根?jù)工藝需要，維持在設(shè)定的正壓值；(6)卸壓當(dāng)鑄件凝固完成后，立即對(duì)坩堝及真空罩卸壓，打開上蓋，將鑄型及砂子倒出，并分離。冷卻后將鑄件脫模。在上述步驟的前提下，提供實(shí)施例1-4，各實(shí)施例的具體工藝參數(shù)以及實(shí)施效果如下
實(shí)施例I利用高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，升液管直徑為40mm，坩堝內(nèi)液態(tài)金屬的液面面積為70000mm2，上罐壓力為I. OMPa，下罐壓力為I. 5MPa，壓差為0. 5MPa，液態(tài)金屬上升速度為100mm/s，利用調(diào)壓精鑄方法得到鑄件的薄壁面積為200mmX 200mm、最小壁厚為3. Omm，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好。實(shí)施例2利用高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，升液管直徑為35mm，坩堝內(nèi)液態(tài)金屬的液面面積為70000mm2，上罐壓力為0. 8MPa，下罐壓力為I. 5MPa，壓差為0. 7MPa，液態(tài)金屬上升速度為120mm/s，利用調(diào)壓精鑄方法得到鑄件的薄壁面積為300mmX 300mm、最小壁厚為2. 6mm，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好。實(shí)施例3利用高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，升液管直徑為30_，坩堝內(nèi)液態(tài)金屬的液面面積為70000mm2，上罐壓力為0. 6MPa，下罐壓力為I. 5MPa，壓差為0. 9MPa，液態(tài)金屬上升速度為135mm/s,利用調(diào)壓精鑄方法得到鑄件的薄壁面積為400mmX400mm、最小壁厚為2. 2mm，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好。實(shí)施例4利用高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，升液管直徑為25mm，坩堝內(nèi)液態(tài)金屬的液面面積為70000mm2，上罐壓力為0. 5MPa，下罐壓力為I. 5MPa，壓差為I. OMPa，液態(tài)金屬上升速度為140mm/s,利用調(diào)壓精鑄方法得到鑄件的薄壁面積為450mmX450mm、最小壁厚為I. 8mm，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，其特征在于利用中頻感應(yīng)加熱電源熔化合金，調(diào)壓爐中采用中隔板隔開上下兩個(gè)罐體；上罐體內(nèi)安裝鑄型和升液管，升液管穿過中隔板進(jìn)入下罐體的坩堝內(nèi)；在安裝鑄型和升液管時(shí)，利用電葫蘆提升上罐，安裝完畢，利用與上下兩個(gè)罐體連接的氣路控制管路、真空系統(tǒng)和氣體罐實(shí)現(xiàn)調(diào)壓爐內(nèi)的真空度和壓力調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，其特征在于所述方法具體步驟如下(1)根據(jù)不同的模殼材料，將鑄型和升液管在外置電阻爐中預(yù)熱至400°C、00°C；(2)安裝鑄型和升液管利用電葫蘆打開調(diào)壓爐上罐，同時(shí)將升液管穿過中隔板放好， 然后在升液管的斜法蘭面上涂好脫脂棉，將鑄型放在升液管上固定好，在鑄型和上罐體的內(nèi)殼中間安裝一砂網(wǎng)，向砂網(wǎng)內(nèi)倒入砂子，放上壓鐵將鑄型穩(wěn)固后蓋上上罐；(3)抽真空將升液管插入下罐中的合金熔體中，立即將上下罐之間鎖緊，同時(shí)對(duì)上下罐及坩堝抽真空；(4)充型當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，向下罐內(nèi)充入氬氣，防止合金氧化，并使熔融合金在壓差的作用下沿著升液管壓入鑄型型腔；(5)保壓及增壓凝固當(dāng)充型完成后，在保持上下罐真空度不變的條件下，對(duì)上下罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使壓力從負(fù)壓迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?，并根?jù)工藝需要，維持在設(shè)定的正壓值；(6)卸壓當(dāng)鑄件凝固完成后，立即對(duì)坩堝及真空罩卸壓，打開上蓋，將鑄型及砂子倒出，并分離；冷卻后將鑄件脫模。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，其特征在于所述對(duì)上下罐壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過充氬氣來實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，其特征在于所述調(diào)壓爐設(shè)有通氣孔，該通氣孔連接到調(diào)壓爐外部的真空系統(tǒng)和調(diào)壓氣路控制系統(tǒng)，調(diào)壓氣路控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)軟件控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓過程中的壓力變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，其特征在于所述上罐體為拱頂結(jié)構(gòu)，拱頂上焊有供吊運(yùn)用的吊耳，并配有吊具，上罐體側(cè)部殼體上開有一個(gè)抽氣或充氣孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，其特征在于所述下罐體內(nèi)安裝中頻感應(yīng)線圈，中頻感應(yīng)線圈內(nèi)放置熔化合金用的氧化鋁坩堝，中頻感應(yīng)線圈經(jīng)過下罐體與中頻感應(yīng)加熱電源連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種高溫合金復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造方法，利用中頻感應(yīng)加熱電源熔化合金，中隔板隔開上下兩個(gè)罐體，在安裝鑄型和升液管時(shí)，利用電葫蘆提升上罐；安裝完畢，利用氣路控制管路、真空系統(tǒng)和氣體罐實(shí)現(xiàn)調(diào)壓爐內(nèi)的真空度和壓力調(diào)節(jié)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高效充型，實(shí)現(xiàn)鑄件順序凝固，可有效提升材料利用效率，實(shí)現(xiàn)近終凈形鑄造提供空間；可生產(chǎn)出用其他成型方法難以澆注的復(fù)雜、薄壁、整體金屬鑄件，解決復(fù)雜薄壁鑄件澆注中的充填問題，特別是對(duì)壁厚小于3mm的薄壁鑄件的充填能力有很大提升。高溫合金調(diào)壓熔模精密鑄造可得到尺寸精度高的精密鑄件，鑄造精度可以達(dá)到CT4-CT6之間。
文檔編號(hào)B22C9/04GK102699311SQ20121021918
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者余志文, 孫寶德, 張佼, 王俊, 王國(guó)祥, 疏達(dá), 董安平 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)