肖強偉，范世璽，紀志軍，王德季，張元光，南海

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100094；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100094）

鈦合金因具有低密度、高比強度、耐腐蝕、熱導率低、無毒無磁、可焊性、生物相容性好、線膨脹系數(shù)小等特性，是一種輕質高強度耐腐結構材料，在航空航天領域中具有廣泛的應用前景，并已經廣泛應用于化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領域[1—5]，然而鈦合金的制備成本高也是制約其進一步擴大應用的重要障礙，無余量和近無余量鑄造成型技術不僅可以實現(xiàn)鈦合金短流程制備，還可以最大限度地降低材料的使用，是降低鈦合金制備成本的重要途徑之一，尤其適合于結構復雜的構件[6—7]。

常規(guī)的鈦合金鑄造方法有熔模精密鑄造、機加石墨型鑄造和金屬型鑄造。熔模精密鑄造生產的鈦合金鑄件表面粗糙度好，尺寸精度高，但制備成本高且對一些大型鑄件生產難度大。石墨具有較好的熱化學穩(wěn)定性以及較高的耐火度，對熔融鈦具有很好的潤濕性，有利于輪廓清晰的鑄件，但由于石墨型的的強度高、激冷能力強，鑄件表面容易出現(xiàn)微裂紋[8—10]，不適合薄壁件和具有復雜內腔的鑄件。金屬型模具由于可以多次反復利用，生產周期短且鑄件表面精度高，為中小型鈦合金鑄件的批量生產提供了保證，然而金屬型使用壽命較低，而且也具有較強的激冷能力，容易在鑄件表面產生冷隔、流痕等缺陷[11—12]。上述 3種鑄造方法的鑄型的制作工序較繁瑣、周期較長或成本高，在一定程度上限制了鈦合金鑄件的推廣和廣泛應用，研究新的鑄型工藝，降低鑄件成本是鈦鑄件今后發(fā)展的方向[13]。

從鈦合金鑄造的生產工藝方法來看，砂型鑄造成本低，生產靈活性大，為一些中、大型鈦合金構件提供了很好的解決方案[14]。目前國內外鈦合金砂型鑄造相關的研究資料較少，使用的鑄型材料主要是以鋯英砂、鎂橄欖石等為主，材料成本較高[15]，無法滿足規(guī)模生產需要。

文中以某大型泵體鑄件為研究對象，介紹了鈦合金特種砂型鑄造工藝過程，并對鑄件的質量進行了檢測分析，為鈦合金特種砂型鑄造技術應用提供參考。

1 泵體鑄造工藝

1.1 泵體鑄件簡介

國外某化工用鈦合金泵體鑄件見圖1，鑄件輪廓尺寸為 1200 mm×660 mm×390 mm，最小壁厚為 8 mm，質量為115 kg，鑄件材質為C3。要求化學成分和力學性能滿足ASTM B367中C3的要求，具體指標見表1和表2，鑄件內部冶金質量滿足ASME 1320中7級標準，鑄件表面質量滿足ASME B16.34中關于表面質量的要求，粗糙度6.3 μm以下，尺寸等級按GB/T 6414中CT9級要求執(zhí)行。

圖1 泵體鑄件輪廓Fig.1 Outline of pump body casting

表1 鑄件的標準化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Standard chemical composition of casting %

表2 鑄件的力學性能標準Tab.2 Standard mechanical properties of casting

1.2 泵體工藝設計

該泵體為大型鈦合金民用鑄件，對成本和周期要求嚴格。綜合考慮，該鈦合金泵體鑄件采用特種砂型鑄造工藝，靜止?jié)沧⑦M行研制。

根據(jù)鈦合金特種砂型鑄造的收縮特點和以往經驗，鑄件的縮尺在 1.0%～2.0%，拔模斜度≤2°，工藝補正量為單邊0.5～2 mm。泵體的澆注系統(tǒng)設計見圖2。鑄件水平放置進行澆注，共設置4個冒口，中心部位法蘭端面設置環(huán)形冒口1，泵體支座頂部位置設置冒口2和冒口3，在泵體進口法蘭頂部設置冒口4。鑄件4個冒口均為明冒口，并開設相應導氣槽，增強鑄型的排氣，泵體表面兩個凸臺增加出氣孔1和出氣孔2，避免由于氣體局部聚集而產生的缺陷。鑄件澆口設置在泵體的中間部位。

圖2 砂型工藝設計Fig.2 Process design of sand mold

泵體鑄型工藝設計見圖3。鑄型分為上箱、下箱和砂芯 3個部分，采用芯頭芯座定位，芯頭長度為30 mm，配合間隙預留單邊0.5 mm。

圖3 泵體砂型鑄型設計Fig.3 Sand mold casting design of pump body

1.3 泵體鑄型的制備

在鈦合金的熔煉與澆注過程中，由于鈦及其合金屬于高活性金屬，極易與鑄造工藝中所采用的常規(guī)鑄型材料之間發(fā)生不同程度的交互反應，使鑄件表面會形成氣孔、針孔、夾雜、成分超差等缺陷，嚴重影響表面質量。砂型鑄型的造型材料選用耐火度較高的鋁礬土混合物，粘結劑為硅溶膠。為了提高鑄型表面惰性和抗熱沖擊性能，選用高惰性耐火面層材料對砂型鑄型工作表面進行噴涂處理，涂層材料是采用氧化釔料漿。

根據(jù)模具設計圖及技術要求，制作泵體模具，模具材質采用鑄鋁，而不采用易吸潮易變形的木模材料。模具共上模、下模和芯盒3部分。

砂型鑄型的成形。采用制作好的模具進行填砂造型，造型過程中保證鑄型均勻、緊實，并對鑄型進行自然干燥，干燥時間不小于48 h。為了提高鑄型的強度，干燥后的鑄型需要進行低溫焙燒，焙燒溫度為450～600 ℃，保溫時間4 h，經過低溫焙燒后的鑄型強度得到大幅度提高。

砂型鑄型表面處理。表面涂料過程中應確保鑄型和砂芯工作面被涂料完全覆蓋，為了涂層的穩(wěn)定化，需要對鑄型和砂芯進行高溫焙燒，焙燒溫度為1000～1300 ℃，保溫時間6 h。高溫焙燒后的鑄型、砂芯進行組裝，待澆注。如不能及時澆注，鑄型應在烘箱中保存。砂型鑄型實物結構及裝配見圖4。

圖4 砂型鑄型Fig.4 Sand mold and casting mold

鑄件表面粗糙度要求6.3 μm以下，需要嚴格控制鑄型砂芯的涂料過程，保證鑄型和砂芯工作面光潔完整，在高溫焙燒后對鑄型和砂芯的涂層表面進行檢查，必要時進行打磨拋光處理。

1.4 熔煉澆注

熔煉澆注在真空自耗電極凝殼爐中進行，采用經過二次熔煉并取樣合格的鑄錠。鈦合金泵體鑄件的熔煉澆注工藝參數(shù)見表3。

表3 熔煉澆注工藝參數(shù)Tab.3 Parameters of smelting casting

2 泵體的研制結果分析

2.1 鑄件表面質量

清理后目視檢查泵體鑄件充型完整，棱角清晰，表面光潔度較好，基本可以滿足粗糙度6.3 μm的要求。泵體鑄件經局部打磨和表面處理后進行熒光檢測，鑄件無裂紋、冷隔等缺陷，滿足 ASME B16.34中的要求。

2.2 鑄件內部質量

經 X射線檢測，法蘭部位存在少量縮孔，經熱等靜壓后縮孔完全消除，內部冶金質量滿足ASME 1320中7級要求。在X光檢測過程中，泵體鑄件未發(fā)現(xiàn)夾雜缺陷，這說明砂型鑄型具有較高的可靠性和抗熱沖擊性能，可以滿足大型鈦合金鑄件澆注的條件。

2.3 鑄件的化學成分

鑄件的化學成分檢測從澆道取樣，本批共檢測3組試樣，見表4。成分分析表明，采用特種砂型鑄型工藝研制的鑄件化學成分穩(wěn)定，滿足技術指標要求。

2.4 鑄件的力學性能

鑄件的力學試樣采用隨爐試棒進行檢測，試棒是采用特種砂型鑄型工藝與鑄件同爐進行澆注，經熱等靜壓處理，本批共檢測6根試樣，其結果見表5。測試結果表明，采用特種砂型鑄造的工藝研制的鈦合金泵體鑄件力學性能穩(wěn)定，滿足技術指標要求。

表4 鑄件的化學成分（質量分數(shù)）Tab.4 Chemical components of casting (mass fraction) %

表5 鑄件的力學性能Tab.5 Mechanical properties of casting

2.5 鑄件的尺寸精度

經尺寸檢驗，泵體鑄件尺寸較為良好，90%以上尺寸能夠滿足GB/T6414中CT9級要求，鑄件存在尺寸超差情況，但滿足客戶最終加工使用要求。經分析鑄件尺寸的超差的原因主要是鑄件縮尺不均勻以及鑄型裝配過程中存在誤差。

3 結論

1) 采用特種砂型鑄造工藝，靜止?jié)沧⒖梢陨a出輪廓尺寸為1200 mm×660 mm×390 mm，壁厚為8 mm的大型鈦合金泵體鑄件。

2) 特種砂型鑄型采用鋁礬土混合物為造型材料，以氧化釔料漿為面層涂層材料，該鑄型可以用于生產鈦合金熔煉澆注，研制出的鑄件表面粗糙度可達到 6.3 μm。

3) 研制結果表明，采用特種砂型鑄造工藝研制出來的鈦合金泵體鑄件化學成分、力學性能滿足ASTM B367中 C3的要求，鑄件內部和表面質量良好，尺寸精度滿足使用要求。

參考文獻：

[1] 黃旭, 朱知壽, 王紅紅. 先進航空鈦合金材料與應用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.HUANG Xu, ZHU Zhi-shou, WANG Hong-hong. Advanced Aeronautical Titanium Alloys and Application[M].Beijing: National Defense Industry Press, 2012.

[2] 肖樹龍, 陳玉勇, 朱洪艷. 大型復雜薄壁鈦合金鑄件熔模精密鑄造研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 稀有金屬材料與工程,2006, 35(5): 678—681.XIAO Shu-long, CHEN Yu-yong, ZHU Hong-yan. Recent Advances on Precision Casting of Large Thin Wall Complex Castings of Titanium Alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2006, 35(5): 678—681.

[3] KLEPEISZ J, VEECK S. The Production of Large Structural Titanium Castings[J]. Journal of Metals, 1997,49(11): 18—20.

[4] 南海, 謝成木, 魏華勝. 大型復雜薄壁類鈦合金鑄件的研制[J]. 中國鑄造裝備與技術, 2001(2): 12—14.NAN Hai, XIE Cheng-mu, WEI Hua-sheng. The Study of Large Thin-wall Complex Integrated Titanium Precision Casting[J]. China Foundry Machinery, 2001(2): 12—14.

[5] SUNG S Y, KIM Y J. Alpha-case Formation Mechanism on Titanium Investment Castings Materials Science and Engineering A, 2005, 405: 173—177.

[6] 南海, 謝成木. 國外鑄造鈦合金及鑄件的應用與發(fā)展[J]. 中國鑄造裝備與技術, 2003(6): 1—3.NAN Hai, XIE Cheng-mu. The Application & Development of Cast Titanium Alloys And Their Castings Abroad[J]. China Foundry Machinery, 2003(6): 1—3.

[7] 高婷, 趙亮, 馬寶飛, 等. 鈦合金鑄造技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(21): 3—7.GAO Ting, ZHAO Liang, MA Bao-fei, et al. Present Situation and Development Trend of Titanium Alloy Casting Technology[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(21):3—7.

[8] 謝成木. 鈦及鈦合金鑄造[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2004.XIE Cheng-mu. Titanium and Titanium Alloy Casting[M].Beijing: China Machine Press, 2004.

[9] 蘇鵬, 劉鴻羽, 趙軍, 等. 鈦合金熔模鑄造型殼制備技術研究現(xiàn)狀[J]. 鑄造, 2012, 61(12): 1401—1404.SU Peng, LIU Hong-yu, ZHAO Jun, et al. Research Status of Shell Mold Preparation for Titanium Alloy Investment Casting[J]. Foundry, 2012, 61(12): 1401—1404.

[10] 王震. 船用鈦合金基座鑄造工藝研究[J]. 湖南農機,2012, 39(7): 63—64.WANG Zhen. Research on Titanium Base Casting Process for Ship Building[J]. Hunan Agricultural Machinery,2012, 39(7): 63—64.

[11] 韓峰, 張新, 劉鴻羽. 鈦液與鑄型材料界面反應在我國的研究進展[J]. 鑄造, 2014, 63(7): 675—678.HAN Feng, ZHANG Xin, LIU Hong-yu. Domestic Research Status of Interfacial Reaction Between Molten Titanium and Mold Materials[J]. Foundry, 2014, 63(7):675—678.

[12] 王錚. 砂型鑄造及熔模鑄造BT20鈦合金界面反應研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2013.WANG Zheng. Interfacial Reaction Research of BT20 Titanium Alloy by Sand Mould Casting and Investment Casting[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2013.

[13] 修清磊. 砂型鑄造鈦合金薄壁鑄件凝固與變形數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2012.XIU Qing-lei. Study on Numerical Simulation of Solidfication and Deformation of Titanium Alloy Thin-Walled Castings During Sand Casting[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2012.

[14] 王文清, 李魁盛. 鑄造工藝學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.WANG Wen-qing, LI Kui-sheng. Foundry Technology[M]. Beijing: China Machine Press, 2010.

[15] 吳東輝. 砂型鑄造及熔模鑄造BT20鈦合金組織與力學性能分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2013.WU Dong-hui. Interfacial Reaction Research of BT20 Titanium Alloy by Sand Mould Casting and Investment Casting[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2013.