鈦合金真空泵葉輪鑄造工藝研究

鈦合金作為一種新型工程結(jié)構(gòu)材料， 它具有優(yōu)異的綜合性能，如：密度小 (4.5g/cm³ ) ，僅為普通結(jié)構(gòu)鋼的 56% ，強度可與高強度鋼相媲美，疲勞強度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，同時具有低溫韌性、良好的抗蝕性能等 [1] 。 因此，它在航空、航天、艦船等工業(yè)部門獲得日益廣泛的應(yīng)用。 鈦及鈦合金鑄件被用作泵體、葉輪、閥門等部件時，不但延長了設(shè)備的使用壽命，還降低了設(shè)備停車檢修的頻率。

1、葉輪的結(jié)構(gòu)特征

鈦合金葉輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。可以看出，此葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚差異大，葉片部位薄 (5mm) ，葉片數(shù)量多 ( 均布22片 ) ，而軸孔處與扣環(huán)裝配部位厚 (25mm) 。 葉輪的外形尺寸為準(zhǔn)351mm×280mm ，鑄造精度為CT8級，每個葉片依照水力圖其流道的尺寸和形狀須符合圖紙要求， 葉輪表面不允許有裂紋、冷隔等缺陷存在，鑄件尺寸精確，流道表面光滑。

在鈦合金泵中，葉輪屬于復(fù)雜薄壁件，重量較輕，不僅鑄造工藝出品率低，而且成品率也不高。

2、葉輪的工藝分析及鑄造

2.1 分型面的選擇

機(jī)加工石墨型的分型多種多樣， 受限制因素較少，在實際的生產(chǎn)中，確定分型面時，要注意以下原則： ① 應(yīng)選擇在最大平面上， 減少過多分型面和錯位； ② 有利于澆注系統(tǒng)的設(shè)置； ③ 有利于模具的加工、裝配和使用壽命； ④ 不能影響鑄件的尺寸精度；⑤ 確保下芯操作方便，型芯安放穩(wěn)定 [2] 。

為此，上下方向以鑄件中心線為分型面，型芯做成整體型。根據(jù)樣板劃線制作外型和型芯， 此鑄型的型腔和型芯形狀及尺寸依靠加工中心完成。

2.2 澆鑄系統(tǒng)的選擇

根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特征，葉輪軸孔處是厚實部位，熱節(jié)最大， 易產(chǎn)生縮孔缺陷， 故選用底注式澆鑄工藝，同時在軸孔的頂端設(shè)置冒口，通過澆注系統(tǒng)進(jìn)行補縮，鈦液從葉輪下型的軸孔處引入，有利于鑄件按照順序凝固原則進(jìn)行凝固，達(dá)到更好的補縮效果。此澆注工藝方法可實現(xiàn)一爐多件葉輪鑄件的澆注，大大提高了鑄件出品率和成品率。

2.3 增加鑄型的通氣能力

通氣性差是石墨型材料本身固有的缺點之一。氣體在鈦中的溶解具有放熱效應(yīng)，即溫度的升高，溶解度降低，從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時，氣體在鈦中的溶解度發(fā)生突變， 這是鈦液凝固過程中氣孔形成的主要因素。為增加鑄型的通氣能力，可沿鑄型分型面圓周上開若干排氣孔， 在葉片對應(yīng)的上型面均勻設(shè)置排氣孔， 其數(shù)量和截面大小應(yīng)當(dāng)保證氣體從鑄型內(nèi)迅 速排除，有利于減少和防止氣孔的產(chǎn)生。

2.4 鑄型的除氣

加工完石墨鑄型和型芯，往往含有水分、油污和高溫?fù)]發(fā)物，必須在澆注前除掉這些雜質(zhì)。鑄型除氣是在真空爐內(nèi)進(jìn)行，加熱的溫度為900~950℃ ，保溫時間為 2~4h ，保溫結(jié)束后，在真空狀態(tài)下隨爐冷卻，溫度降至 350℃ 以下，可停止抽真空，鑄型出爐溫度不得高于 300℃ ， 避免引起石墨鑄型和型芯表面氧化。真空除過氣的石墨鑄型在組型時，不能直接放置在地面上，由于地氣的作用，除過氣的石墨鑄型很容易吸收地表的潮氣，當(dāng)高溫鈦液澆入鑄型時，石墨鑄型放氣，鑄件表面容易產(chǎn)生氣孔。

2.5 葉輪的澆鑄

鑄件采用耐腐蝕和焊接性能優(yōu)異的 ZTA2 ，澆鑄采用真空自耗電弧爐熔煉的二次鑄錠。 為了增加鈦液在石墨鑄型內(nèi)的流動性， 澆注前鑄型需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的石墨鑄型在真空自耗電極電弧凝殼爐內(nèi)進(jìn)行澆注，澆注完成后，隨爐冷卻 1~2h ，待鑄件冷卻至 300℃ 以下出爐。 出爐后進(jìn)行清理型芯， 鑄件經(jīng)打磨、探傷、真空退火和噴砂處理，鑄件表面光滑，無裂紋和冷隔現(xiàn)象。 經(jīng)檢驗，鑄件尺寸完全符合設(shè)計要求。

3、成分及力學(xué)性能

對澆鑄葉輪時的隨爐試樣取樣分析， 拉伸試樣按 GB/T6397 《金屬拉伸試驗試樣》中的 R7 試樣進(jìn)行加工。 拉伸試驗按 GB/T288 《金屬拉伸試驗方法》進(jìn)行，硬度在沖擊試樣上測定。測試結(jié)果如表 1 和表2 所示。

表 1 葉輪的化學(xué)成分 ( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)， % )

表 2 葉輪的室溫力學(xué)性能

4、結(jié)論

通過對鈦合金真空泵葉輪機(jī)加工石墨型鑄造工藝的研究，對石墨鑄型進(jìn)行預(yù)熱，選用了底注式澆注工藝，通過澆注系統(tǒng)進(jìn)行補縮，液體直接從葉輪厚實處引入， 有利于鑄件按順序凝固原則進(jìn)行凝固并得到較好的補縮；同時在鑄型分型面上設(shè)置排氣孔，在葉片對應(yīng)的上型面均勻開排氣孔， 鑄造出質(zhì)量優(yōu)良的復(fù)雜鈦合金真空泵葉輪鑄件。

參考文獻(xiàn)：

[1] 婁貫濤 ． 鈦合金的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展方向 [J]． 鈦工業(yè)進(jìn)展， 2003(2) ： 9-13．

[2] 謝成木 ． 鈦及鈦合金鑄造 [M]． 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2004．