CN102699311A - 高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，利用中频感应加热电源熔化合金，中隔板隔开上下两个罐体，在安装铸型和升液管时，利用电葫芦提升上罐；安装完毕，利用气路控制管路、真空***和气体罐实现调压炉内的真空度和压力调节。本发明实现平稳高效充型，实现铸件顺序凝固，可有效提升材料利用效率，实现近终净形铸造提供空间；可生产出用其他成型方法难以浇注的复杂、薄壁、整体金属铸件，解决复杂薄壁铸件浇注中的充填问题，特别是对壁厚小于3mm的薄壁铸件的充填能力有很大提升。高温合金调压熔模精密铸造可得到尺寸精度高的精密铸件，铸造精度可以达到CT4-CT6之间。

Description

高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法

技术领域

本发明涉及的是一种高温合金复杂薄壁铸件的精密铸造方法，特别是一种利用调压工艺进行高温合金薄壁铸件熔模精密铸造的新方法，属于铸造专业领域。

背景技术

随着精密铸造技术的不断发展，航天、航空、电力及核能领域使用的关键热端部件的结构也发生了巨大的变化，不仅朝着整体、薄壁空心方向发展，而且正逐步向结构承载与气体导流的结构功能一体化方向发展，这些都要求构件在具有更高承载能力的同时，必须具有更高的尺寸精度、更好的尺寸稳定性、更优异的疲劳性能和使用寿命。无疑，这些新需求对镍基高温合金熔模精密铸造体系提出了更高的要求。国外在上世纪前半叶就开始研究航空发动机用镍基高温合金的真空熔炼、精密铸造技术，并于上世纪七八十年代在合金设计与熔模铸造工艺技术方面获得了突破性进展，一系列的高性能镍基高温合金铸件产品迅速获得产业化应用。英国AE公司在新型航天飞行器上应用了一系列复杂薄壁精铸件，这些精铸件的外形尺寸一般在300～600mm，最小壁厚达到0.8～1.5mm，而且可以对晶粒尺寸进行控制，辅以热等静压技术，使铸件的疲劳寿命大幅度改善。美国Hitchiner公司、PCC公司和Howmet公司为美国GE发动机铸造了一系列的大型薄壁整体铸件，其中最小壁厚远低于国内同类铸件。全英熔模铸造贸易协会的Anon指出，反重力铸造工艺用于航天航空铸件的生产，可以提高生产效率和降低生产成本，是一个值得推广的技术。美国爱荷华州的一家航天研究机构在进行美国航天局（NASA）资助的课题研究中，利用三种不同的Hitchiner反重力铸造工艺还进行了复杂薄壁网格状In718合金铸件的研究。研究人员使用了Hitchiner反重力铸造工艺，但在具体实施时，由于采取了三组不同的铸造工艺参数，得到了完整性差别很大的三组铸件。铸件由近千个网格状单元体经纬编织而成，得到的铸件尺寸显示，组成这些单个网格的高温合金细丝的直径范围为1.62mm-1.523mm，平均值为1.58mm，标准偏差仅为0.045mm，有着非常高的铸造精度，但在NASA公开的报告里面，未提及任何铸造参数和所使用的铸造工艺方法。

因此，从国外高温合金铸造的研究现状来看，在大型复杂结构件的精密成型技术和装备方面有着一定的基础，并形成了大量的成型工艺设计数据库，但始终对中国实行严格的技术封锁，相应的技术资料很少公开报道，所以自主创新是我国发展大型铸件精密铸造技术的必由之路。而且随着航空发动机推重比的提高，国外也在航空航天飞行器轻量化上开展大量研究，大量的复杂薄壁铸件在航空航天领域的应用会更加广泛。

从国内研究现状来看，复杂薄壁铸件的调压铸造工艺方法作为一种用于铝镁合金复杂薄壁铸件生产的反重力铸造工艺，在解决薄壁铸件成型方面具有明显的优势。因此，随着高温合金薄壁铸件的需求增加，探索该方法在高温合金铸造上的应用是十分必要的。

经对现有技术的文献检索发现：申请号为88106919.1的中国发明专利涉及到一种调压铸造方法。该专利提到：调压铸造的重要应用领域是航空、航天、航海、电子和兵器等国防工业中大型、复杂、高精度的铝铸件的生产，并没有对高温合金的精密铸造提出工艺方案。并且，在该专利中，加热方式为电阻加热，所用铸型为石膏型。加热方式和铸型材质均不能适应高温合金熔模精密铸造的要求。

申请号为01209399.8的中国发明专利涉及到一种真空和保护气体循环加压铸造装置，该装置基于镁合金铸造，克服了氧化的问题、夹渣和气孔等问题。装置的设计思路仍然是基于申请号88106919.1专利提出的，加热方式和结构设计也无法满足高温合金熔模精密铸造的要求。

专利号为200820232358.7的实用新型专利涉及到一种准调压铸造机，该专利提到所设计的调压铸造装置成本较低，适用于铝合金薄壁件的铸造。但该专利在充型和凝固中的压力控制不能在瞬间达到所要的压差，未能实现真正意义上的压力瞬时调节，因此命名为准调压铸造。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高温合金复杂薄壁铸件调压铸造方法，以满足高温合金熔模精密铸造的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明利用中频感应加热电源熔化合金，调压炉中采用中隔板隔开上下两个罐体；上罐体内安装铸型和升液管，升液管穿过中隔板进入下罐体的坩埚内；在安装铸型和升液管时，利用电葫芦提升上罐，安装完毕，利用与上下两个罐体连接的气路控制管路、真空***和气体罐实现调压炉内的真空度和压力调节。

本发明所述高温合金复杂薄壁铸件调压铸造方法，具体步骤如下：

（1）根据不同的模壳材料，将铸型和升液管在外置电阻炉中预热至400℃~900℃。

（2）安装铸型和升液管：利用电葫芦打开调压炉上罐，同时将升液管穿过中隔板放好，然后在升液管的斜法兰面上涂好脱脂棉，将铸型放在升液管上固定好，向砂网内倒入砂子，放上压铁将铸型稳固后盖上上罐；

（3）抽真空：将升液管***下罐中的合金熔体中，立即将上下罐之间锁紧，同时对上下罐及坩埚抽真空；

（4）充型：当真空度达到要求时，向下罐内充入氩气，防止合金氧化，并使熔融合金在压差的作用下沿着升液管压入铸型型腔；

（5）保压及增压凝固：当充型完成后，在保持上下罐真空度不变的条件下，对上下罐压力进行调节，即充氩气。使其压力从负压迅速转变为正压，并根据工艺需要，维持在设定的正压值；

（6）卸压：当铸件凝固完成后，立即对坩埚及真空罩卸压，打开上盖，将铸型及砂子倒出，并分离。冷却后将铸件脱模。

与现有技术方法相比，本发明具有以下有益效果：

（1）高温合金调压熔模精密铸造利用真空预处理、负压充型、调压凝固，正压补缩等手段实现平稳高效充型，实现铸件顺序凝固，可有效提升材料利用效率，实现近终净形铸造提供空间。

（2）调压铸造技术采用了负压充型方法并在最小压差原则下实现正压补缩，因而降低了对铸型透气性及强度的要求，可生产出用其他成型方法难以浇注的复杂、薄壁、整体金属铸件，解决复杂薄壁铸件浇注中的充填问题。特别是对壁厚小于3mm的薄壁铸件的充填能力有很大提升。

（3）高温合金调压熔模精密铸造所得的铸件表面质量好，完成浇冒口气割打磨后铸件本体表面基本不需要打磨。

（4）高温合金调压熔模精密铸造可以得到尺寸精度高的精密铸件，铸造精度可以达到CT4-CT6之间。

附图说明

图1为高温合金调压铸造工艺时间-压力曲线。

图2为高温合金调压铸造装置平面布置图。

图3为高温合金调压铸造炉结构图。

图中：中频感应加热电源1、调压炉2、电葫芦3、气路控制管路4、真空***5、气体罐6、铸型7、升液管8、上罐9、中隔板10、砂网11、压铁12、下罐13。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，调压铸造过程中的压力-时间变化曲线，本实施例中利用中频感应加热电源1熔化合金，中隔板隔开上下两个罐体，在安装铸型和升液管时，利用电葫芦3提升上罐。安装完毕，利用气路控制管路4、真空***5和气体罐6实现调压炉内的真空度和压力调节。

如图2-3所示，为高温合金调压铸造装置平面布置图以及高温合金调压铸造炉结构图。其中：电葫芦3置于调压炉2正上方，中隔板10将调压炉2的上罐9和下罐13分隔开。上罐9、下罐13及中隔板10之间采用活节螺丝杆夹紧。上罐9为拱顶结构，拱顶上焊有供吊运用的吊耳，并配有吊具。

拱顶结构侧部壳体上开有一个抽气（充气）孔，下罐13内安装中频感应线圈，该线圈内放置熔化合金用的氧化铝坩埚，该线圈经过下罐体13与中频感应加热电源1连接。上罐9内安装铸型7和升液管8，升液管8穿过中隔板10进入下罐13的氧化铝坩埚内。在铸型7和上罐9的内壳中间安装一砂网11。铸型7上端安放压铁12用来压固铸型。上罐9和下罐10分别开有通气孔，并在下罐13中装有测温热电偶。调压炉2外部布置有真空***5（2XZ-15真空泵、阀门、管道、过滤器、真空罐，球阀等组成）和气路控制管路4。气路控制管路4由计算机软件控制，实现调压过程中的压力变化。

采用上述装置进行的高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，具体操作步骤如下：

（1）根据不同的模壳材料，将铸型7和升液管8在外置电阻炉中预热至400℃~900℃。

（2）安装铸型7和升液管8：利用电葫芦3打开调压炉上罐9，同时将升液管8穿过中隔板10放好，然后在升液管的斜法兰面上涂好脱脂棉，将铸型7放在升液管上固定好，向砂网11内倒入砂子，放上压铁12将铸型稳固后盖上上罐9；

（3）抽真空：将升液管8***下罐13中的合金熔体中，立即将上下罐之间锁紧，同时对上下罐及坩埚抽真空；

（4）充型：当真空度达到要求时，向下罐13内充入氩气，防止合金氧化，并使熔融合金在压差的作用下沿着升液管8压入铸型型腔；

（5）保压及增压凝固：当充型完成后，在保持上下罐真空度不变的条件下，对上下罐压力进行调节，即充氩气。使其压力从负压迅速转变为正压，并根据工艺需要，维持在设定的正压值；

（6）卸压：当铸件凝固完成后，立即对坩埚及真空罩卸压，打开上盖，将铸型及砂子倒出，并分离。冷却后将铸件脱模。

在上述步骤的前提下，提供实施例1-4，各实施例的具体工艺参数以及实施效果如下：

实施例1

利用高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，升液管直径为40mm，坩埚内液态金属的液面面积为70000mm²，上罐压力为1.0MPa，下罐压力为1.5MPa，压差为0.5MPa，液态金属上升速度为100mm/s，利用调压精铸方法得到铸件的薄壁面积为200mm×200mm、最小壁厚为3.0mm，铸件内部质量较好。

实施例2

利用高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，升液管直径为35mm，坩埚内液态金属的液面面积为70000mm²，上罐压力为0.8MPa，下罐压力为1.5MPa，压差为0.7MPa，液态金属上升速度为120mm/s，利用调压精铸方法得到铸件的薄壁面积为300mm×300mm、最小壁厚为2.6mm，铸件内部质量较好。

实施例3

利用高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，升液管直径为30mm，坩埚内液态金属的液面面积为70000mm²，上罐压力为0.6MPa，下罐压力为1.5MPa，压差为0.9MPa，液态金属上升速度为135mm/s，利用调压精铸方法得到铸件的薄壁面积为400mm×400mm、最小壁厚为2.2mm，铸件内部质量较好。

实施例4

利用高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，升液管直径为25mm，坩埚内液态金属的液面面积为70000mm²，上罐压力为0.5MPa，下罐压力为1.5MPa，压差为1.0MPa，液态金属上升速度为140mm/s，利用调压精铸方法得到铸件的薄壁面积为450mm×450mm、最小壁厚为1.8mm，铸件内部质量较好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，其特征在于：利用中频感应加热电源熔化合金，调压炉中采用中隔板隔开上下两个罐体；上罐体内安装铸型和升液管，升液管穿过中隔板进入下罐体的坩埚内；在安装铸型和升液管时，利用电葫芦提升上罐，安装完毕，利用与上下两个罐体连接的气路控制管路、真空***和气体罐实现调压炉内的真空度和压力调节。

2.根据权利要求1所述的高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

（1）根据不同的模壳材料，将铸型和升液管在外置电阻炉中预热至400℃~900℃；

（2）安装铸型和升液管：利用电葫芦打开调压炉上罐，同时将升液管穿过中隔板放好，然后在升液管的斜法兰面上涂好脱脂棉，将铸型放在升液管上固定好，在铸型和上罐体的内壳中间安装一砂网，向砂网内倒入砂子，放上压铁将铸型稳固后盖上上罐；

（3）抽真空：将升液管***下罐中的合金熔体中，立即将上下罐之间锁紧，同时对上下罐及坩埚抽真空；

（4）充型：当真空度达到要求时，向下罐内充入氩气，防止合金氧化，并使熔融合金在压差的作用下沿着升液管压入铸型型腔；

（5）保压及增压凝固：当充型完成后，在保持上下罐真空度不变的条件下，对上下罐压力进行调节，使压力从负压迅速转变为正压，并根据工艺需要，维持在设定的正压值；

（6）卸压：当铸件凝固完成后，立即对坩埚及真空罩卸压，打开上盖，将铸型及砂子倒出，并分离；冷却后将铸件脱模。

3.根据权利要求2所述的高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，其特征在于：所述对上下罐压力进行调节，通过充氩气来实现。

4.根据权利要求2所述的高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，其特征在于：所述调压炉设有通气孔，该通气孔连接到调压炉外部的真空***和调压气路控制***，调压气路控制***由计算机软件控制，实现调压过程中的压力变化。

5.根据权利要求2所述的高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，其特征在于：所述上罐体为拱顶结构，拱顶上焊有供吊运用的吊耳，并配有吊具，上罐体侧部壳体上开有一个抽气或充气孔。

6.根据权利要求2所述的高温合金复杂薄壁铸件精密铸造方法，其特征在于：所述下罐体内安装中频感应线圈，中频感应线圈内放置熔化合金用的氧化铝坩埚，中频感应线圈经过下罐体与中频感应加热电源连接。

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