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(lián)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(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)件。目前關(guān)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(lǐng)域，而沒有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其鑄造充型能力進(jìn)行研究。

鈦基合金密度小，對(duì)于薄壁鑄件，傳統(tǒng)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(guān)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(qiáng)，充型時(shí)間長(zhǎng)，鑄件表面污染較嚴(yán)重，因而并未得到廣泛關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)采用一種新型的鑄造成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(tài)，避免了TA15合金在充型過程中發(fā)生氧化，并且克服了充型過程中產(chǎn)生氣體背壓對(duì)充型產(chǎn)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(dòng)力，能夠有效控制復(fù)雜薄壁構(gòu)件在充型過程中由于凝固速度快導(dǎo)致不能完全充填而出現(xiàn)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(lǐng)域制備紐扣鑄錠或用于非晶合金吸鑄，對(duì)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(diǎn)，鑄造難度很大。

本實(shí)驗(yàn)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(duì)熔體充填鑄型的影響，旨在為實(shí)現(xiàn)底漏式真空吸鑄成形鈦合金的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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(nèi)充滿保護(hù)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(dāng)熔融鈦合金達(dá)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(shí)驗(yàn) 

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(shù)，本實(shí)驗(yàn)將對(duì)這3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)吸鑄成形的影響進(jìn)行研究。利用真空吸鑄設(shè)備，將一定質(zhì)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(shù)對(duì)流動(dòng)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(shù)，吸鑄長(zhǎng)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(píng)價(jià)充填效果，分析工藝參數(shù)對(duì)鑄件成形的影響，得到臺(tái)理的吸鑄工藝參數(shù)。采用合理的工藝參數(shù)吸鑄直徑為40mm、葉片厚度為2mm的小葉輪。試驗(yàn)過程中的鑄型由石墨通過機(jī)械加工得到，鑄型示意圖如圖2、圖3。

3、結(jié)果及分析

3.1 工藝參數(shù)對(duì)TA15合金流動(dòng)能力的影晌

熔融金屬的流動(dòng)能力直接影響鑄件的輪廓清晰、形狀完整的程度。本試驗(yàn)在不同電流和吸口直徑的工藝參數(shù)下，獲得螺旋流動(dòng)試樣，來考察TA15合金在底漏式真空吸鑄條件下的流動(dòng)能力。文獻(xiàn)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(duì)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(shí)，薄板鑄件已經(jīng)可以完全充滿型腔，結(jié)果如圖4。TA15合金密度比鈦鋁合金的密度大，充型動(dòng)力(重力的貢獻(xiàn))較大，所以試驗(yàn)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(yàn)的參數(shù)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(dòng)性能試驗(yàn)條件及結(jié)果如表2，試驗(yàn)得到的流動(dòng)性試樣如圖6。

由TA15合金流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)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(yàn)條件中石墨吸口直徑不同而其他條件相同，試驗(yàn)結(jié)果說明石墨吸口直徑越大，螺旋試樣流動(dòng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，因?yàn)樵谖谏喜亢辖鹨壕哂幸欢ǖ膲毫Γ谥睆皆酱螅诒砻娣e就越大，充填時(shí)的壓力也越大。為了保證合金的充型能力，薄板及葉輪試驗(yàn)均采用直徑為4mm的石墨吸口。試樣2和試樣3試驗(yàn)條件中電流不同而其他條件相同，試驗(yàn)結(jié)果說明電流越大，螺旋試樣流動(dòng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(duì)薄板成形的影響

3.2.1電流對(duì)薄板成形的影響

在薄板成形過程中，試驗(yàn)條件見表3，電流對(duì)充型能力的影響見圖7、圖8。

由結(jié)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(duì)金屬充型能力影響最大的是澆注溫度，底漏式真空吸鑄設(shè)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(dòng)的時(shí)間愈長(zhǎng)，熔融金屬充型的能力就愈強(qiáng)。

3.2.2 鑄型溫度對(duì)薄板成形的影響

鑄型溫度對(duì)充型能力的影響試驗(yàn)條件見表4。試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10。由結(jié)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(zhǎng)。液態(tài)合金充型時(shí)，鑄型與合金的熱交換影響合金保持流動(dòng)時(shí)間，鑄型的溫度越高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差越小，鑄型的阻力越小，流動(dòng)速度越大，充型能力就越強(qiáng)。

由試驗(yàn)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?qū)?0mm×20 mm×l mm的型腔充滿。試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖11所示。薄板的厚度僅為1 mm，最大充填率達(dá)幾乎達(dá)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(qiáng)。

3 3 底漏式真空吸鑄葉輪成形

上述試驗(yàn)結(jié)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(duì)簡(jiǎn)單，不能說明在復(fù)雜鑄件中具有同樣的試驗(yàn)結(jié)果。現(xiàn)以小葉輪鑄件為例，進(jìn)行底漏式真空吸鑄充填性能的研究，該鑄件結(jié)構(gòu)存在重力方向和水平方向同時(shí)充型。試驗(yàn)條件見表6，試驗(yàn)結(jié)果見圖12。

該鈦合金葉輪有6個(gè)均勻分布的葉片，每個(gè)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(nèi)處于真空狀態(tài)，大幅度提高合金液的充型能力，保證復(fù)雜鑄件的充型完整，輪廓清晰。鑄件輪廓清晰，每個(gè)葉片充型完整且棱角分明。

4、結(jié)論

1)底漏式真空吸鑄時(shí)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(shí)不能實(shí)現(xiàn)充填，有氣體壓力輔助時(shí)充填長(zhǎng)度可達(dá)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(fù)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(qiáng)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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