本發(fā)明屬于鈦合金鑄造領(lǐng)域，涉及高溫鈦合金鑄造熔融凝固的方法，具體為一種ti55鑄造高溫鈦合金的控溫凝固方法。
背景技術(shù)：
：鈦及鈦合金由于具有密度低、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，已經(jīng)在航空、航天、海洋運輸、化工冶金、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。高溫鈦合金是為提高航空發(fā)動機推重比而開發(fā)的，包括以固溶強化為主要強化方式的傳統(tǒng)高溫鈦合金和以有序強化為主的ti-al系金屬間化合物，本文中提到的高溫鈦合金為近α鈦合金，服役溫度為560℃～650℃。鈦合金成型方法除了切削加工外，還有鑄造和鍛造，鈦合金鍛件成本較高、且生產(chǎn)周期長，相比之下，鈦合金精密鑄造技術(shù)具有成本低、周期短、一次性近凈成形等優(yōu)點，但是鈦及鈦合金在鑄造過程中極易形成縮松、縮孔、微裂紋等缺陷，由于殘余應(yīng)力大，有的鑄件甚至?xí)霈F(xiàn)貫穿性裂紋。較小的縮松、縮孔可以通過熱等靜壓消除，然而，一些較大的鑄造缺陷，熱等靜壓也無法解決，對于一些形狀不規(guī)則的零件，極易出現(xiàn)鑄造裂紋和變形等問題，從而導(dǎo)致鑄件報廢，成品率低，極大地增加了鑄造成本。張勇弢、張潤華等人發(fā)明了一種鈦及鈦合金離心鑄造整體澆注的方法(專利號cn104209487)，解決了現(xiàn)有的鈦及鈦合金離心鑄造過程中存在的由于組爐方式、整體澆注方法不合理使得鈦合金零件缺陷多以及成品率低的問題，但對于鑄造過程中裂紋等問題關(guān)注較少。哈爾濱實鈦新材料科技發(fā)展有限公司發(fā)明了一種鈦合金及鈦鋁合金的低成本精密鑄造方法(專利號cn102294436)，解決了現(xiàn)有的采用電熔氧化鋁、硅溶膠降低鈦合金和鈦鋁合金熔模精密鑄造成本的方法，并解決了鑄件表面及內(nèi)部質(zhì)量差的技術(shù)問題。姜敏、魯雄剛等人發(fā)明了一種用于鈦及鈦合金精密鑄造的型殼及其制備方法(cn102990006)，由于鋯酸鋇陶瓷型殼與鈦及鈦合金反應(yīng)程度小，鑄件表面形成的粘污層厚度小，鑄件表面光潔度高，缺點是關(guān)于鑄造應(yīng)力方面略欠考慮。綜上可以看出，目前關(guān)于減少鈦合金鑄造成本和鈦合金鑄造后縮松、縮孔、表面質(zhì)量等問題的研究較多，但是通過控制凝固路徑消除殘余應(yīng)力、鑄件裂紋的專利和報道較少。技術(shù)實現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的鈦合金鑄造后縮松、縮孔和表觀質(zhì)量差的不足，本發(fā)明提出了一種ti55鑄造高溫鈦合金的控溫凝固方法。本發(fā)明的具體過程是：步驟1，涂掛模具。涂掛時在模具的面層、過渡層、背層、封嚴層分別涂掛2層、2層、3層、1層；面料涂掛材料為純氧化釔。步驟2，脫蠟、焙燒。將涂掛后的模具置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行脫蠟處理，得到模殼；通過高溫箱式爐對得到的模殼進行焙燒，得到純氧化釔模殼。所述脫蠟處理時，將電熱鼓風(fēng)干燥箱升溫至150℃；將涂掛模具放入該電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保溫2h；保溫結(jié)束后該電熱鼓風(fēng)干燥箱繼續(xù)升溫至170℃保溫2h，完成模具的脫臘。所述焙燒時，將所述高溫箱式爐升溫至350℃；將所述模殼放入該高溫箱式爐內(nèi)保溫1h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至600℃并保溫0.5h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至970℃并保溫2h，完成對該模殼的焙燒，得到純氧化釔模殼。步驟3，熔煉；將小塊的ti55合金鑄錠裝入底部鋪有海綿鈦的坩堝內(nèi)。在10－3pa的真空環(huán)境下對所述小塊鑄錠進行熔煉，使小塊鑄錠熔化，得到ti55合金鑄錠的熔液。步驟4，澆注。將得到的氧化釔模殼加熱到600～950℃，恒溫1～2h后，澆入ti55合金鑄錠的熔液。步驟5，控溫凝固：澆注完成后，合金熔液隨爐冷卻至500～850℃時保溫15～60min進行控溫凝固，保溫結(jié)束后，合金熔液隨爐冷卻至室溫后，脫殼、清理，得到開裂杯鑄件。本發(fā)明通過在真空中將模殼溫度加熱到600～950℃恒溫1～2小時，再進行澆注，凝固過程中控制金屬液體冷卻速度，在500～900℃保溫15～60min，再隨爐冷卻，從而達到消除鑄造過程中裂紋的目的，并且，通過控溫凝固獲得的鑄件表面光潔度更好，提高了鈦合金鑄件的充型性和組織致密性，有效消除鑄造過程中的開裂變形等問題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：一、操作工藝簡單，并且對熔煉和澆注合金的設(shè)備沒有特殊要求，對應(yīng)用于工廠生產(chǎn)具有實際指導(dǎo)意義，實施例中給出了具體的澆注凝固步驟。二、合金凝固過程中，通過在低溫段控溫凝固，能夠有效避免合金在凝固過程裂紋的產(chǎn)生和擴展，本發(fā)明通過將模殼加熱到600℃～950℃后在500℃～900℃低溫段保溫15～60min，對得到的鑄件使用著色劑對鑄件進行裂紋滲透檢驗分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過控溫凝固后，裂紋數(shù)量為零，在鑄件外壁和內(nèi)壁均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，提高了成品率，極大地節(jié)約了原料和成本，如圖5、8、9所示。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，將模殼加熱至400℃恒溫2h后進行澆注，凝固過程中不進行控溫處理，在得到的開裂杯鑄件內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)大量裂紋，圖4給出了未控溫凝固得到的開裂杯裂紋滲透試樣。三、采用上述工藝方法獲得的鑄件表面光潔度高，粗糙度小，得到的組織更為致密。圖6給出了實施例1得到的開裂杯組織微觀組織形貌圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，組織均勻性較好，α片層細密，β晶粒尺寸約為250μm～300μm。四、提高了充型能力，保證鑄件充填完整性，消除鑄造應(yīng)力，有效防止變形和開裂，鑄件不容易變形。從鑄件圖5、8、9中可以看出，鑄件充型完整，無明顯鑄造缺陷。圖10為實施例3中骨架前段零件鑄件x射線探傷結(jié)果圖，縮松縮孔主要集中在澆道和冒口處，鑄件內(nèi)部較少出現(xiàn)。附圖說明圖1為模殼加熱溫度-時間簡要示意圖；圖2為開裂杯試樣尺寸圖，其中2a為開裂杯正面剖視圖，2b為俯視圖；圖3為經(jīng)過涂掛的開裂杯模具外觀，其中3a為開裂杯模具的俯視圖，3b是開裂杯模具的主視圖；圖4為未控溫凝固得到的開裂杯裂紋滲透分析著色圖；圖5為實施例1中開裂杯裂紋滲透分析著色圖；圖6為實施例2中開裂杯微觀組織形貌圖；圖7為實施例3、3中骨架前段零件模具涂掛外觀圖，其中a為模具俯視圖，b是模具主視圖；圖8為實施例2中骨架前段零件裂紋滲透分析著色圖；圖9為實施例3中骨架前段零件裂紋滲透分析著色圖，其中a為模具俯視圖，b是模具主視圖；圖10為實施例3中骨架前段零件x射線探傷結(jié)果圖,其中a為鑄件正面圖，b為鑄件背面圖，c、d、e為鑄件局部區(qū)域縮松縮孔圖，f為鑄件側(cè)壁內(nèi)澆道，g、h排氣孔。圖11為本發(fā)明的流程圖。具體實施方式本發(fā)明以ti55鑄造高溫鈦合金為例，通過三個實施例具體說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明所述澆注開裂杯試樣的最大直徑為120mm，最小直徑為70mm，最小壁厚為10mm，最大壁厚為15mm。由于鑄造過程中容易在底部厚壁處產(chǎn)生熱節(jié)，導(dǎo)致鑄件開裂，開裂形成的裂紋是作為澆注材料抗裂性的一種表征。實施例1本實施例的具體過程是：步驟1，涂掛模具。將設(shè)計好的開裂杯模具用3d打印出來，對模具進行涂掛后晾干。涂掛時在模具的面層、過渡層、背層、封嚴層分別涂掛2層、2層、3層、1層；面料涂掛材料為純氧化釔，得到涂掛后的模具。步驟2，脫蠟、焙燒。將晾干模具置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行脫蠟處理：將所述電熱鼓風(fēng)干燥箱升溫至150℃；將晾干模具放入該電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保溫2h；保溫結(jié)束后該電熱鼓風(fēng)干燥箱繼續(xù)升溫至170℃保溫2h，完成模具的脫臘，得到模殼。通過高溫箱式爐對脫臘后的模殼進行焙燒，具體是：將所述高溫箱式爐升溫至350℃；將所述模殼放入該高溫箱式爐內(nèi)保溫1h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至600℃并保溫0.5h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至970℃并保溫2h，完成對該模殼的焙燒，得到純氧化釔模殼。步驟3，熔煉。將直徑為150mm、高度為550mm的ti55合金鑄錠切割成小塊鑄錠。將得到小塊鑄錠裝入底部鋪有海綿鈦的坩堝內(nèi)。在0.1mpa的氬氣保護環(huán)境下對所述小塊鑄錠進行熔煉，使小塊鑄錠熔化，得到ti55合金鑄錠的熔液。所述ti55合金鑄錠的名義成分為ti-5.5al-3.5sn-3.0zr-0.7mo-0.4nb-0.3si-0.4ta。步驟4，澆注。將得到的氧化釔模殼加熱到950℃，恒溫2h后，澆入熔融后的ti55合金鑄錠的熔液。步驟5，控溫凝固。合金熔液隨爐冷卻至900℃時進行控溫凝固，即在900℃保溫15min，保溫結(jié)束后，合金熔液隨爐冷卻至室溫后，脫殼、清理，得到開裂杯鑄件，所獲鑄件表面光潔度高，表面粗糙度小。對本實施例得到的成品鑄件進行著色處理，觀察裂紋數(shù)量及分布情況，結(jié)果如圖5，可以發(fā)現(xiàn)，在試樣內(nèi)壁和外壁都沒有觀察到任何裂紋，其微觀組織形貌圖如圖6所示。實施例2本實施方式的一種鑄造高溫鈦合金的控溫凝固方法按如下步驟進行：步驟1，涂掛模具。將設(shè)計好的開裂杯模具用3d打印出來，對模具進行涂掛后晾干。涂掛時在模具的面層、過渡層、背層、封嚴層分別涂掛2層、2層、3層、1層；面料涂掛材料為純氧化釔，得到涂掛后的模具。步驟2，脫蠟、焙燒。將晾干模具置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行脫蠟處理：將所述電熱鼓風(fēng)干燥箱升溫至150℃；將晾干模具放入該電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保溫2h；保溫結(jié)束后該電熱鼓風(fēng)干燥箱繼續(xù)升溫至170℃保溫2h，完成模具的脫臘，得到模殼。通過高溫箱式爐對脫臘后的模殼進行焙燒，具體是：將所述高溫箱式爐升溫至350℃；將所述模殼放入該高溫箱式爐內(nèi)保溫1h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至600℃并保溫0.5h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至970℃并保溫2h，完成對該模殼的焙燒，得到純氧化釔模殼。步驟3，熔煉。將直徑為150mm、高度為550mm的ti55合金鑄錠切割成小塊鑄錠。將得到小塊鑄錠裝入底部鋪有海綿鈦的坩堝內(nèi)。在0.1mpa的氬氣保護環(huán)境下對所述小塊鑄錠進行熔煉，使小塊鑄錠熔化，得到ti55合金鑄錠的熔液。所述ti55合金鑄錠的名義成分為ti-5.5al-3.5sn-3.0zr-0.7mo-0.4nb-0.3si-0.4ta。步驟4，澆注。將得到的氧化釔模殼加熱到900℃，恒溫1h后，澆入熔融后的ti55合金鑄錠的熔液。步驟5，控溫凝固。合金熔液隨爐冷卻至800℃時進行控溫凝固，即在800℃保溫60min，保溫結(jié)束后，合金熔液隨爐冷卻至室溫后，脫殼、清理，得到開裂杯鑄件，所獲鑄件表面光潔度高，表面粗糙度小。對本實施例得到的成品鑄件進行著色處理，觀察鑄件表面裂紋數(shù)量及分布情況，結(jié)果如圖8，可以發(fā)現(xiàn)，在鑄件內(nèi)壁和外壁均沒有觀察到任何裂紋。實施例3本實施方式的一種鑄造高溫鈦合金的控溫凝固方法按如下步驟進行：步驟1，涂掛模具。將設(shè)計好的開裂杯模具用3d打印出來，對模具進行涂掛后晾干。涂掛時在模具的面層、過渡層、背層、封嚴層分別涂掛2層、2層、3層、1層；面料涂掛材料為純氧化釔，得到涂掛后的模具。步驟2，脫蠟、焙燒。將晾干模具置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中進行脫蠟處理：將所述電熱鼓風(fēng)干燥箱升溫至150℃；將晾干模具放入該電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)保溫2h；保溫結(jié)束后該電熱鼓風(fēng)干燥箱繼續(xù)升溫至170℃保溫2h，完成模具的脫臘，得到模殼。通過高溫箱式爐對脫臘后的模殼進行焙燒，具體是：將所述高溫箱式爐升溫至350℃；將所述模殼放入該高溫箱式爐內(nèi)保溫1h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至600℃并保溫0.5h；保溫結(jié)束后，該高溫箱式爐繼續(xù)升溫至970℃并保溫2h，完成對該模殼的焙燒，得到純氧化釔模殼。步驟3，熔煉。將直徑為150mm、高度為550mm的ti55合金鑄錠切割成小塊鑄錠。將得到小塊鑄錠裝入底部鋪有海綿鈦的坩堝內(nèi)。在0.1mpa的氬氣保護環(huán)境下對所述小塊鑄錠進行熔煉，使小塊鑄錠熔化，得到ti55合金鑄錠的熔液。所述ti55合金鑄錠的名義成分為ti-5.5al-3.5sn-3.0zr-0.7mo-0.4nb-0.3si-0.4ta。步驟4，澆注。將得到的氧化釔模殼加熱到600℃，恒溫1.5h后，澆入熔融后的ti55合金鑄錠的熔液。步驟5，控溫凝固。合金熔液隨爐冷卻至500℃時進行控溫凝固，即在500℃保溫30min，保溫結(jié)束后，合金熔液隨爐冷卻至室溫后，脫殼、清理，得到開裂杯鑄件，所獲鑄件表面光潔度高，表面粗糙度小。對本實施例得到的成品鑄件進行著色處理，觀察鑄件表面裂紋數(shù)量及分布情況，結(jié)果如圖9，可以發(fā)現(xiàn)，在鑄件內(nèi)壁和外壁均沒有觀察到任何裂紋，x射線探傷結(jié)果如圖10。其中a、b分別對應(yīng)的是鑄件的正反兩面，未發(fā)現(xiàn)裂紋，但c、d、e出現(xiàn)不同程度密集小縮孔，主要是由于ti55合金本身較難補縮產(chǎn)生的。從f可以看出在鑄件側(cè)壁內(nèi)澆道部位出現(xiàn)了一個φ13mm的氣孔，可能為金屬液紊流卷氣而產(chǎn)生的，圖g、h可以看出在排氣孔附近產(chǎn)生了出現(xiàn)了一個φ15mm的氣孔，屬于正?，F(xiàn)象，鑄造縮孔縮松及其他鑄造缺陷主要集中在設(shè)計冒口中，鑄件縮孔縮松可在后期熱等靜壓后消除。表1給出了各實施例中鑄件裂紋情況。表1模殼預(yù)熱溫度/℃低溫保溫段合金牌號鑄造裂紋實施例1950有(900℃)ti55無實施例2900有(800℃)ti55無實施例3600有(500℃)ti55無當前第1頁12