航空航天用TA15鈦合金葉輪底漏式真空吸鑄成形工藝介紹

TA15鈦合金是前蘇聯研制的一種近α型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，它具有中等室溫和高溫強度，良好的熱穩定性和焊接性能，廣泛應用于飛機、發動機和導彈的結構件。目前關于TA15鈦合金的研究，主要集中在熱處理工藝、熱約束變形行為、熱變形行為等領域，而沒有相關文獻對其鑄造充型能力進行研究。

鈦基合金密度小，對于薄壁鑄件，傳統的重力鑄造難于使其順利充型，必須輔以外力來保證鑄件完整成形，最常用的是離心力，關于鈦基合金離心鑄造工藝過程的研究仍在不斷深入，近年來也有嘗試將反重力低壓鑄造引入鈦基合金的，但由于氣體壓力與重力方向相反，充填能力不夠強，充型時間長，鑄件表面污染較嚴重，因而并未得到廣泛關注。本實驗采用一種新型的鑄造成形技術實現TA15合金鑄件成形。該方法采用非自耗電極電弧爐在水冷銅坩堝中熔化TA15合金，合金熔體通過坩堝底部吸口利用自身重力和氣體壓力共同作用促使其充填鑄型。吸鑄過程中，吸鑄室保持真空狀態，避免了TA15合金在充型過程中發生氧化，并且克服了充型過程中產生氣體背壓對充型產生阻力，氣體壓力與重力疊加，可明顯提高鈦合金熔體的充型動力，能夠有效控制復雜薄壁構件在充型過程中由于凝固速度快導致不能完全充填而出現澆不足、流痕等鑄造缺陷。非自耗電極電弧爐多用于材料研究領域制備紐扣鑄錠或用于非晶合金吸鑄，對鑄件成形方面的研究很少。小型薄壁鑄件具有蓄熱量低、型腔狹小、比表面積大的特點，鑄造難度很大。

本實驗主要研究TA15合金在底漏式真空吸鑄下的充型能力，揭示吸鑄過程中工藝條件對熔體充填鑄型的影響，旨在為實現底漏式真空吸鑄成形鈦合金的應用奠定基礎。

1、底漏式真空吸鑄成形的基本原理

該方法成形原理如圖1，熔煉室內充滿保護性氣體氬氣，TA15合金原料在水冷銅坩堝中用非自耗電極電弧加熱熔化，當熔融鈦合金達到一定的過熱度，在氣體壓力差及重力的共同作用下通過坩堝底部的吸口充填鑄型，得到鑄件。

2、實驗 

在底漏式真空吸鑄成形過程中，電流大小、石墨吸口直徑、鑄型溫度是影響充型過程的主要工藝參數，本實驗將對這3個工藝參數對吸鑄成形的影響進行研究。利用真空吸鑄設備，將一定質量的TA15合金熔煉3遍，使其成為成分均勻的母合金錠。采用不同直徑的石墨吸口和不同大小的電流，吸鑄TA15合金螺旋試樣，了解工藝參數對流動性的影響。改變電流大小、石墨吸口直徑、鑄型溫度等工藝參數，吸鑄長70mm、寬20mm、厚1mm的薄板，利用每次吸鑄得到的薄板鑄件的充填率來評價充填效果，分析工藝參數對鑄件成形的影響，得到臺理的吸鑄工藝參數。采用合理的工藝參數吸鑄直徑為40mm、葉片厚度為2mm的小葉輪。試驗過程中的鑄型由石墨通過機械加工得到，鑄型示意圖如圖2、圖3。

3、結果及分析

3.1 工藝參數對TA15合金流動能力的影晌

熔融金屬的流動能力直接影響鑄件的輪廓清晰、形狀完整的程度。本試驗在不同電流和吸口直徑的工藝參數下，獲得螺旋流動試樣，來考察TA15合金在底漏式真空吸鑄條件下的流動能力。文獻用Procast軟件模擬了鈦鋁合金底漏式真空吸鑄過程中吸口直徑對充填率的影響，石墨吸口直徑越大，薄板鑄件充填率越高，在吸口直徑為4mm時，薄板鑄件已經可以完全充滿型腔，結果如圖4。TA15合金密度比鈦鋁合金的密度大，充型動力(重力的貢獻)較大，所以試驗中吸口直徑選擇3mm和4mm。

在重力條件下TA15合金熔體難于充填螺旋試樣型腔，在石墨吸口中就已凝固了，如圖5。重力條件下充填試驗的參數如表l。熔融TA15合金在沒有氣體壓力，只有重力的條件下，只有極少一部分流入石墨吸口，而不能充填鑄型。

在氣體壓差輔助下的TA15合金流動性能試驗條件及結果如表2，試驗得到的流動性試樣如圖6。

由TA15合金流動性試驗結果可知，螺旋形型腔得到了不同程度的充填。試樣1和試樣2試驗條件中石墨吸口直徑不同而其他條件相同，試驗結果說明石墨吸口直徑越大，螺旋試樣流動長度越長，因為在吸口上部合金液具有一定的壓力，石墨吸口直徑越大，吸口表面積就越大，充填時的壓力也越大。為了保證合金的充型能力，薄板及葉輪試驗均采用直徑為4mm的石墨吸口。試樣2和試樣3試驗條件中電流不同而其他條件相同，試驗結果說明電流越大，螺旋試樣流動長度越長，也就是該工藝下熔體沿水平方向有較好的充型能力。

3.2工藝條件對薄板成形的影響

3.2.1電流對薄板成形的影響

在薄板成形過程中，試驗條件見表3，電流對充型能力的影響見圖7、圖8。

由結果可知，其他條件不變的情況下電流越大，薄板充型的充填率越大。原因是澆注條件中對金屬充型能力影響最大的是澆注溫度，底漏式真空吸鑄設備中，鎢電極電弧的電流決定TA15合金的澆注溫度。
電流愈大，鎢極電弧溫度愈高，合金液的澆注溫度愈高。澆注溫度愈高，熔融金屬蓄熱愈多，粘度愈小，合金在鑄型中保持流動的時間愈長，熔融金屬充型的能力就愈強。

3.2.2 鑄型溫度對薄板成形的影響

鑄型溫度對充型能力的影響試驗條件見表4。試驗結果見圖9、圖10。由結果可知，其他條件不變的情況下鑄型溫度越高，薄板充型的充填率越長。液態合金充型時，鑄型與合金的熱交換影響合金保持流動時間，鑄型的溫度越高，液態金屬與鑄型的溫差越小，鑄型的阻力越小，流動速度越大，充型能力就越強。

由試驗可知，隨著電流的增大、鑄型溫度的升高，鑄件的充填率增加。通過改善工藝條件，能夠將70mm×20 mm×l mm的型腔充滿。試驗條件及試驗結果如表5、圖11所示。薄板的厚度僅為1 mm，最大充填率達幾乎達到100％，證明TA15合金在底漏式真空吸鑄條件下具有足夠充型薄壁鑄件的能力，也說明在重力方向上充型能力很強。

3 3 底漏式真空吸鑄葉輪成形

上述試驗結果可以看出在底漏式真空吸鑄中合金液在重力方向和水平方向都具有很好的充填能力，但鑄型相對簡單，不能說明在復雜鑄件中具有同樣的試驗結果。現以小葉輪鑄件為例，進行底漏式真空吸鑄充填性能的研究，該鑄件結構存在重力方向和水平方向同時充型。試驗條件見表6，試驗結果見圖12。

該鈦合金葉輪有6個均勻分布的葉片，每個葉片厚度為2mm，葉輪外徑為40mm。在底漏式真空吸鑄條件下，鑄型型腔內處于真空狀態，大幅度提高合金液的充型能力，保證復雜鑄件的充型完整，輪廓清晰。鑄件輪廓清晰，每個葉片充型完整且棱角分明。

4、結論

1)底漏式真空吸鑄時TA15合金螺旋試樣的充型能力得到顯著提高，沒有氣體輔助充型時不能實現充填，有氣體壓力輔助時充填長度可達58mm。

2)利用底漏式真空吸鑄方法可吸鑄尺寸為70mm×20mm×1mm的TA15合金薄壁鑄件。

3)利用底漏式真空吸鑄方法可吸鑄出形狀較復雜的TA15合金葉輪鑄件。

4)在底漏式真空吸鑄工藝條件下，合金液不僅在重力方向具有很強的充型能力，而且在水平方向也能夠很好的充填型腔。

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