CN104923727B - 带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸造技术领域，涉及对带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法的改进。其特征在于，采用砂型铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：镶嵌体制备；砂型制备；镶嵌体装配；砂型高温焙烧；熔炼浇注；切割。本发明提供了一种改进的带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法，能避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证了铸件的性能和使用的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于铸造技术领域，涉及对带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法的改进。
背景技术
钛合金铸造工艺常采用熔模精密铸造或砂型铸造，其中熔模精密铸造工艺适合于大批量生产，用于生产壁厚小于3mm的宇航工业及其他要求较高，形状复杂的薄壁大、中、小型铸件；砂型铸造工艺，如中国发明专利CN102921885A申请公开了一种钛、锆、镍及其合金铸件砂型铸造工艺，适合于单件生产或小批量生产，主要用于生产壁厚大于4mm的铸件。随着工业的发展，钛合金铸件的形体和结构趋于大型、整体和薄壁方向发展，对铸造工艺生产有复杂内腔的钛合金铸件提出更高的要求。图1是一种带有异形内孔的钛或钛合金铸件的局部剖视图，在铸件1的内部有异形内孔1a。为了成型异形内孔1a，通常，钛合金铸件的复杂内腔主要有两种成形方式：第一种、陶瓷型芯法，在铸件有内腔的位置预置陶瓷型芯，在铸件成形后脱除。其缺点是：该方法易出现脱芯难、成本高、效率低等问题。第二种、金属型芯法，将金属管预先安装在铸型内，利用铸件浇注充型过程使金属熔液和镶嵌体熔合为一个整体，而金属管的内腔则成为铸件的内腔，如中国发明专利CN102806311 A公开申请的一种钛合金熔模铸件复杂管道成形工艺。其缺点是：第一、虽然该方法对于内腔直径≤10mm的铸件可一次成形，但金属管与铸件之间的熔合效果很差，金属管与铸件本体之间存在≤0.05mm的结合间隙，直接影响铸件的性能和使用的可靠性。第二、难以成型具有异形内腔的铸件。
发明内容
本发明的目的是：提供一种改进的带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法，以便避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证铸件的性能和使用的可靠性。
本发明的技术方案是：带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法，所铸造的铸件1的内部带有铸件异形内孔1a；其特征在于，采用砂型铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：
1、镶嵌体制备：
1.1、镶嵌体毛坯制备：
根据铸件的三维模型建立镶嵌体3的三维模型，采用机械加工方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔2,镶嵌体异形内孔2的形状和尺寸与铸件异形内孔1a的形状和尺寸相同；镶嵌体毛坯带有通孔定位端和实心定位端，通孔定位端由通孔镶嵌部分3a和通孔定位部分3b组成，通孔镶嵌部分3a被包裹在铸件1内部，是构成铸件1的异形内孔1a的一部分，通孔定位部分3b伸出铸件1表面的外面，通孔定位部分3b的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t＝5mm～20mm,实心定位端由实心镶嵌部分3c和实心定位部分3d组成，实心镶嵌部分3c被包裹在铸件1内部，实心定位部分3d伸出铸件1表面的外面，实心定位部分3d的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t；镶嵌体毛坯的壁厚为1mm～5mm；镶嵌体3的材质为钛或与钛合金铸件相同的材质；
1.2、镶嵌体毛坯处理：按照下述方案Ⅰ或方案Ⅱ其中之一进行镶嵌体毛坯处理：
1.2.1、方案Ⅰ：对镶嵌体毛坯进行壁厚减薄：壁厚减薄的步骤是：
1.2.1.1、计算机模拟浇注：首先通过计算机数值模拟的方法进行浇注过程模拟，得出镶嵌体毛坯与铸件1的熔合效果；
1.2.1.2、壁厚减薄：对上述镶嵌体毛坯与铸件1的熔合率进行检查，找出熔合率不合格的区域，对熔合率不合格区域的镶嵌体毛坯的壁厚进行减薄，减薄的幅度为0.05mm～0.1mm；熔合率不合格是指未熔合或者熔合率低于50％；
1.2.1.3、重复步骤1.2.1.1～1.2.1.2，直到熔合率满足要求为止；
1.2.1.4、根据熔合率满足要求时所确定的镶嵌体毛坯的壁厚，在对镶嵌体毛坯的通孔定位部分3b和实心定位部分3d进行保护后，对镶嵌体毛坯通过化铣进行壁厚减薄，壁厚减薄以后成为镶嵌体3；
1.2.2、方案Ⅱ：在镶嵌体毛坯的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体毛坯的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1～0.7:1，镶嵌体毛坯的通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)不开槽,镶嵌体毛坯其余表面的开槽率为30％～70％；
2、砂型制备：
2.1、型砂制备：根据用砂量，按如下质量百分比称取各组分：60目～100目的铝矾土砂10％～20％；15目～35目的铝矾土砂10％～20％；硅酸盐粉2％～8％；硅溶胶8％～15％；余量为225目～300目的铝矾土粉；采用混砂机配置型砂，先将铝矾土粉、铝矾土砂、硅酸盐粉加入混砂机内，混料1.5小时～2.5小时后，加入硅溶胶，搅拌0.5小时后卸出型砂；
2.2、制备面层涂料：
2.2.1、制备混合溶液：按照如下质量百分比称取面层涂料各组分原料：醋酸钙20％～30％；氯化钙5％～10％；余量为水；按比例将各组分原料全部放入搅拌器内混合均匀，制得混合溶液；
2.2.2、制备粘结剂：将混合溶液按照体积比1:1.8～1:2.4与二醋酸锆搅拌均匀制成粘结剂；
2.2.3、制备面层涂料：面层涂料各组分的质量百分比为：粘结剂30％～40％；正丁醇0.1％～0.5％；余量为氧化钇粉；将面层涂料各组分混合并充分搅拌均匀，制成面层涂料；
2.3、制备砂型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作模具，利用模具和型砂压制砂型，并自然干燥；然后将砂型预热至65℃～90℃，用压缩空气清除砂型表面浮砂和外来物，将面层涂料喷涂到浇注时与金属液接触的砂型表面形成涂层，涂层厚度为0.5mm～1mm，涂层自然干燥至少1小时后，修补涂层漏涂、脱落、孔洞等表面缺陷，然后自然干燥至少10小时；
3、镶嵌体装配：将镶嵌体通孔定位部分和实心定位部分和砂型4组装在一起，使镶嵌体内腔与铸件成形后内腔的位置重合；
4、砂型高温焙烧：将内部含镶嵌体的砂型放入电阻炉内进行高温焙烧，焙烧温度700℃～950℃，保温3小时～5小时；
5、熔炼浇注：在真空环境下利用内部有镶嵌体的砂型进行熔炼浇注；
6、切割：将铸件上残留的浇注***、通孔定位部分3b和实心定位部分3d切除，获得钛或钛合金铸件。
本发明的优点是：提供了一种改进的带有异形内孔的钛或钛合金铸件铸造方法，能避免采用陶瓷型芯法时出现的脱芯难、成本高、效率低等问题；同时，保证了铸件的性能和使用的可靠性。
附图说明
图1是带有异形内孔的钛或钛合金铸件的局部剖视图。
图2是本发明中镶嵌体上的沟槽的结构示意图。
图3是本发明中铸件砂型的局部结构示意图，镶嵌体3定位在砂型内腔中。
图4是采用本发明方法成型的钛或钛合金铸件的局部剖视图。
图中：1、铸件，1a、铸件异形内孔，2、镶嵌体异形内孔，3、镶嵌体，3a、通孔镶嵌部分，3b、通孔定位部分，3c、实心镶嵌部分，3d、实心定位部分，4、砂型，5、沟槽，h、深度，w、宽度。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1至图4，带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法，所铸造的铸件1的内部带有铸件异形内孔1a；其特征在于，采用砂型铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：
1、镶嵌体制备：
1.1、镶嵌体毛坯制备：
根据铸件的三维模型建立镶嵌体3的三维模型，采用机械加工方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔2,镶嵌体异形内孔2的形状和尺寸与铸件异形内孔1a的形状和尺寸相同；镶嵌体毛坯带有通孔定位端和实心定位端，通孔定位端由通孔镶嵌部分3a和通孔定位部分3b组成，通孔镶嵌部分3a被包裹在铸件1内部，是构成铸件1的异形内孔1a的一部分，通孔定位部分3b伸出铸件1表面的外面，通孔定位部分3b的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t＝5mm～20mm,实心定位端由实心镶嵌部分3c和实心定位部分3d组成，实心镶嵌部分3c被包裹在铸件1内部，实心定位部分3d伸出铸件1表面的外面，实心定位部分3d的长度是在铸件1表面的基础上向表面外延长t；镶嵌体毛坯的壁厚为1mm～5mm；镶嵌体3的材质为钛或与钛合金铸件相同的材质；
1.2、镶嵌体毛坯处理：按照下述方案Ⅰ或方案Ⅱ其中之一进行镶嵌体毛坯处理：
1.2.1、方案Ⅰ：对镶嵌体毛坯进行壁厚减薄：壁厚减薄的步骤是：
1.2.1.1、计算机模拟浇注：首先通过计算机数值模拟的方法进行浇注过程模拟，得出镶嵌体毛坯与铸件1的熔合效果；
1.2.1.2、壁厚减薄：对上述镶嵌体毛坯与铸件1的熔合率进行检查，找出熔合率不合格的区域，对熔合率不合格区域的镶嵌体毛坯的壁厚进行减薄，减薄的幅度为0.05mm～0.1mm；熔合率不合格是指未熔合或者熔合率低于50％；
1.2.1.3、重复步骤1.2.1.1～1.2.1.2，直到熔合率满足要求为止；
1.2.1.4、根据熔合率满足要求时所确定的镶嵌体毛坯的壁厚，在对镶嵌体毛坯的通孔定位部分3b和实心定位部分3d进行保护后，对镶嵌体毛坯通过化铣进行壁厚减薄，壁厚减薄以后成为镶嵌体3；
1.2.2、方案Ⅱ：在镶嵌体毛坯的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体毛坯的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1～0.7:1，镶嵌体毛坯的通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)不开槽,镶嵌体毛坯其余表面的开槽率为30％～70％；
2、砂型制备：
2.1、型砂制备：根据用砂量，按如下质量百分比称取各组分：60目～100目的铝矾土砂10％～20％；15目～35目的铝矾土砂10％～20％；硅酸盐粉2％～8％；硅溶胶8％～15％；余量为225目～300目的铝矾土粉；采用混砂机配置型砂，先将铝矾土粉、铝矾土砂、硅酸盐粉加入混砂机内，混料1.5小时～2.5小时后，加入硅溶胶，搅拌0.5小时后卸出型砂；
2.2、制备面层涂料：
2.2.1、制备混合溶液：按照如下质量百分比称取面层涂料各组分原料：醋酸钙20％～30％；氯化钙5％～10％；余量为水；按比例将各组分原料全部放入搅拌器内混合均匀，制得混合溶液；
2.2.2、制备粘结剂：将混合溶液按照体积比1:1.8～1:2.4与二醋酸锆搅拌均匀制成粘结剂；
2.2.3、制备面层涂料：面层涂料各组分的质量百分比为：粘结剂30％～40％；正丁醇0.1％～0.5％；余量为氧化钇粉；将面层涂料各组分混合并充分搅拌均匀，制成面层涂料；
2.3、制备砂型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作模具，利用模具和型砂压制砂型，并自然干燥；然后将砂型预热至65℃～90℃，用压缩空气清除砂型表面浮砂和外来物，将面层涂料喷涂到浇注时与金属液接触的砂型表面形成涂层，涂层厚度为0.5mm～1mm，涂层自然干燥至少1小时后，修补涂层漏涂、脱落、孔洞等表面缺陷，然后自然干燥至少10小时；
3、镶嵌体装配：将镶嵌体通孔定位部分和实心定位部分和砂型4组装在一起，使镶嵌体内腔与铸件成形后内腔的位置重合；
4、砂型高温焙烧：将内部含镶嵌体的砂型放入电阻炉内进行高温焙烧，焙烧温度700℃～950℃，保温3小时～5小时；
5、熔炼浇注：在真空环境下利用内部有镶嵌体的砂型进行熔炼浇注；
6、切割：将铸件上残留的浇注***、通孔定位部分3b和实心定位部分3d切除，获得钛或钛合金铸件。
本发明的工作原理是：根据铸件异形内孔的形状预先制作镶嵌体，利用铸件浇注时金属熔液对镶嵌体的包覆在铸件内一次成形铸件异形内孔。同时通过减薄镶嵌体壁厚，增加铸件壁厚与镶嵌体壁厚比，以此增大浇注时该位置金属熔液对镶嵌体的熔合，进而提高镶嵌体与铸件本体的熔合率，或通过在镶嵌体表面增加沟槽，使镶嵌体与浇注的金属液接触的界面处蓄热能力增加，升温速度得到提高的同时降温时间也得到了推迟，从而在高温维持的时间更长，有利于镶嵌体与铸件之间形成更好的冶金结合，使铸件具有更高的使用可靠性，特别适用于有异形内孔的薄壁铸件成形。
实施例1
一种有细长不等径贯通内孔的Ti6Al4V钛合金铸件的砂型制备方法，具体制备步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、镶嵌体毛坯制备
根据铸件的三维模型建立镶嵌体的三维模型，对于细长不等径贯通内孔可以采用压力胀形的方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔,镶嵌体异形内孔的形状和尺寸与铸件异形内孔的形状和尺寸相同；由于镶嵌体异形内孔为贯通式，分别向铸件表面外延长两侧的内孔结构作为左通孔定位部分和右通孔定位部分，左通孔定位部分的长度是在铸件左表面的基础上向左延长10mm，右通孔定位部分的长度是在铸件右表面的基础上向右延长10mm，由于两侧通孔定位部分可满足镶嵌体定位稳固，无需额外在镶嵌体毛坯上增加实心定位端。镶嵌体毛坯的厚度为3mm；镶嵌体的材质为TA2纯钛；
将制成的镶嵌体毛坯进行退火处理，以消除残余应力，防止镶嵌体毛坯变形。根据镶嵌体的材质，退火温度为700℃，保温4小时后随炉冷却到室温；
1.2、镶嵌体毛坯处理：
1.2.1、对镶嵌体毛坯进行壁厚减薄，壁厚减薄的步骤是：
1.2.1.1、计算机模拟浇注：首先通过计算机数值模拟的方法进行浇注过程模拟，得出镶嵌体毛坯与铸件的熔合效果；
1.2.1.2、壁厚减薄：对上述镶嵌体毛坯与铸件的熔合率进行检查，找出熔合率不合格的区域，对熔合率不合格区域的镶嵌体毛坯的壁厚进行减薄，熔合率不合格是指浇注的金属和镶嵌体形成的界面未熔合或者熔合率低于50％；
模拟预测结果显示，铸件熔合率低于50％，因此对镶嵌体毛坯进行整体壁厚减薄；减薄的幅度为0.05mm；
1.2.1.3、重复步骤1.2.1.1～1.2.1.2，直到熔合率满足要求为止；
1.2.1.4、根据满足要求时的熔合率，确定将镶嵌体毛坯壁厚减薄1.7mm，将左通孔定位部分和右通孔定位部分进行保护，使其不能被减薄壁厚，并对其端口进行封堵，然后对镶嵌体毛坯通过化铣进行外部壁厚减薄，壁厚减薄以后成为镶嵌体；
化铣的过程根据纯钛的特点选择HF和HNO3的混合溶液作为腐蚀液，其中HF和HNO3的质量分数分别为4％和10％。将镶嵌体毛坯两端封堵后，整体浸泡在腐蚀溶液中，仅对镶嵌体毛坯外壁进行壁厚减薄，通过控制腐蚀液浓度和腐蚀时间控制壁厚减薄速度，对于本方法，腐蚀时间为211min；
对化铣后的镶嵌体毛坯进行清洁处理，采用酒精或醇类有机溶剂浸泡，并用超声清洗，获得镶嵌体。
2、砂型制备：
2.1、型砂制备：根据用砂量，按如下质量百分比称取各组分：60目～100目的铝矾土砂10％；15目～35目的铝矾土砂10％；硅酸盐粉3％；硅溶胶9％；余量为225目～300目的铝矾土粉；采用混砂机配置型砂，先将铝矾土粉、铝矾土砂、硅酸盐粉加入混砂机内，混料1.5小时后，加入硅溶胶，搅拌0.5小时后卸出型砂；
2.2、制备面层涂料：
2.2.1、制备混合溶液：按照如下质量百分比称取面层涂料各组分原料：醋酸钙20％；氯化钙5％；余量为水；按比例将各组分原料全部放入搅拌器内混合均匀，制得混合溶液；
2.2.2、制备粘结剂：将混合溶液按照体积比1:1.8与二醋酸锆搅拌均匀制成粘结剂；
2.2.3、制备面层涂料：面层涂料各组分的质量百分比为：粘结剂30％；正丁醇0.1％；余量为氧化钇粉；将面层涂料各组分混合并充分搅拌均匀，制成面层涂料；
2.3、制备砂型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作模具，利用模具和型砂压制砂型，并自然干燥；然后将砂型预热至65℃，用压缩空气清除砂型表面浮砂和外来物，将面层涂料喷涂到浇注时与金属液接触的砂型表面形成涂层，涂层厚度为0.5mm，涂层自然干燥至少1小时后，修补涂层漏涂、脱落、孔洞等表面缺陷，然后自然干燥至少10小时；
3、镶嵌体装配；
将镶嵌体左通孔定位部分和右通孔定位部分安装石墨装配套，然后和砂型结构组装在一起，使镶嵌体内腔与铸件内腔的成形位置重合；
4、砂型高温焙烧：将内部含镶嵌体的砂型放入电阻炉内进行高温焙烧，焙烧温度700℃，保温5小时；
5、熔炼浇注：在真空环境下利用内部有镶嵌体的砂型进行熔炼浇注。
6、切割：将铸件上残留的浇注***、左通孔定位部分和右通孔定位部分切除获得含有异形内孔的Ti6Al4V钛合金铸件。
根据此工艺，分别用原始态的镶嵌体和减薄处理后的镶嵌体制备含异形内孔的钛合金铸件，铸件的力学性能对比见表1。可见，通过模拟铸件浇注过程，预测铸件熔合率不合格区域，对镶嵌体相应区域进行壁厚选择性减薄，可有效的减少铸件熔合不良区域，提高铸件整体熔合率，进而提高铸件的整体性能和使用可靠性。
表1含异形内孔的Ti6Al4V铸件拉伸性能对比
实施例2
一种有葫芦形内腔的Ti6Al4V钛合金铸件的砂型制备方法，具体制备步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、镶嵌体毛坯制备：
根据铸件的三维模型建立镶嵌体的三维模型，由于铸件内腔为单侧贯通的葫芦形曲面内腔，沿葫芦形内腔的长轴方向将内腔分为两部分，采用冲压的方法分别制作镶嵌体毛坯的异形曲面，然后将两部分焊接在一起，使镶嵌体毛坯内腔与Ti6Al4V铸件异形内腔的形状和尺寸相同。镶嵌体毛坯的厚度为5mm；镶嵌体的材质与铸件相同；延伸镶嵌体毛坯贯通侧作为通孔定位部分，长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长20mm。为保证镶嵌体定位稳固，在镶嵌体毛坯另一侧上不影响铸型制备的位置焊接一个实心定位端，实心定位端由实心镶嵌部分和实心定位部分构成，实心镶嵌部分的长度与该位置铸件壁厚相同，实心定位部分的长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长20mm，实心定位端与镶嵌体毛坯同材料；
将制成的镶嵌体毛坯进行退火处理，以消除残余应力，防止镶嵌体毛坯变形。根据镶嵌体的材质，退火温度为700～850℃，保温时间2～4小时后随炉冷却到室温；
1.2、镶嵌体毛坯处理：
1.2.1对镶嵌体毛坯进行壁厚减薄：壁厚减薄的步骤是：
1.2.1.1、计算机模拟浇注：首先通过计算机数值模拟的方法进行浇注过程模拟，得出镶嵌体毛坯与铸件的熔合效果；
1.2.1.2、壁厚减薄：对上述镶嵌体毛坯与铸件的熔合率进行检查，找出熔合率不合格的区域，对熔合率不合格区域的镶嵌体毛坯的壁厚进行减薄，熔合率不合格是指浇注的金属和镶嵌体形成的界面未熔合或者熔合率低于50％；对熔合率不合格的区域的镶嵌体毛坯进行壁厚减薄；减薄的幅度为0.1mm；
1.2.1.3、重复步骤1.2.1.1～1.2.1.2，直到熔合率满足要求为止；
1.2.1.4、根据满足要求时的熔合率，熔合率不合格区域出现在镶嵌体毛坯两端和葫芦形两曲面连接处，因此仅对镶嵌体毛坯两端和曲面连接处进行壁厚减薄。针对两端和曲面连接处不同的熔合情况，设定壁厚分别减薄2.1mm和2.6mm。对镶嵌体毛坯通孔端口进行封堵，并对通孔定位部分和实心定位部分进行保护后，通过化铣进行壁厚减薄，壁厚减薄以后成为镶嵌体；
化铣的过程根据钛合金的特点选择HF和HNO3的混合溶液作为腐蚀液，其中HF和HNO3的质量分数分别为8％和15％。将镶嵌体毛坯贯通端口封堵后，整体浸泡在腐蚀溶液中，仅对镶嵌体毛坯外壁进行壁厚减薄，通过控制腐蚀液浓度和腐蚀时间控制壁厚减薄速度。
先对不需要壁厚减薄的区域涂刷保护漆进行局部保护，对需要减薄的区域进行局部减薄。镶嵌体毛坯壁厚5mm，由于两端和曲面连接处需减薄的厚度不相同分别为2.1mm和2.6mm，每次可用最小的壁厚减薄厚度为基准进行逐层减薄和保护。首先将除两端和曲面连接处以外的镶嵌体毛坯刷保护漆，然后放入腐蚀液中进行腐蚀减薄，通过控制腐蚀液浓度和腐蚀时间控制腐蚀速度，本次减薄厚度为2.1mm，腐蚀时间为166min，将减薄后的镶嵌体毛坯拿出，用清水清洗，然后在仅需减薄2.1mm的两端刷保护漆，将镶嵌体毛坯浸入腐蚀液中，继续减薄曲面连接区域，本次减薄厚度为0.5mm，腐蚀时间为40min，将减薄后的镶嵌体毛坯清洗后放入有机溶剂中去除保护漆。
对化铣后的镶嵌体毛坯进行清洁处理，采用酒精或醇类有机溶剂浸泡，去除保护漆，并用超声清洗，获得镶嵌体。
2、砂型制备：
2.1、型砂制备：根据用砂量，按如下质量百分比称取各组分：60目～100目的铝矾土砂14％；15目～35目的铝矾土砂18％；硅酸盐粉5％；硅溶胶11％；余量为225目～300目的铝矾土粉；采用混砂机配置型砂，先将铝矾土粉、铝矾土砂、硅酸盐粉加入混砂机内，混料2小时后，加入硅溶胶，搅拌0.5小时后卸出型砂；
2.2、制备面层涂料：
2.2.1、制备混合溶液：按照如下质量百分比称取面层涂料各组分原料：醋酸钙24％；氯化钙7％；余量为水；按比例将各组分原料全部放入搅拌器内混合均匀，制得混合溶液；
2.2.2、制备粘结剂：将混合溶液按照体积比1:2.1与二醋酸锆搅拌均匀制成粘结剂；
2.2.3、制备面层涂料：面层涂料各组分的质量百分比为：粘结剂36％；正丁醇0.3％；余量为氧化钇粉；将面层涂料各组分混合并充分搅拌均匀，制成面层涂料；
2.3、制备砂型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作模具，利用模具和型砂压制砂型，并自然干燥；然后将砂型预热至75℃，用压缩空气清除砂型表面浮砂和外来物，将面层涂料喷涂到浇注时与金属液接触的砂型表面形成涂层，涂层厚度为0.7mm，涂层自然干燥至少1小时后，修补涂层漏涂、脱落、孔洞等表面缺陷，然后自然干燥至少10小时；
3、镶嵌体装配；
将镶嵌体通孔定位部分和实心定位部分安装石墨装配套，然后和砂型组装在一起，使镶嵌体内腔与铸件内腔的成形位置重合；
4、砂型高温焙烧：将内部含镶嵌体的砂型放入电阻炉内进行高温焙烧，焙烧温度950℃，保温4小时；
5、熔炼浇注：在真空环境下利用内部有镶嵌体的砂型进行熔炼浇注。
6、切割：将铸件上残留的浇注***、通孔定位部分和实心定位部分切除获得钛或钛合金铸件。
根据此工艺，分别用减薄处理后的镶嵌体和原始态的镶嵌体制备含异形内孔的纯钛铸件，铸件的熔合率和力学性能对比见表2。
表2含异形内孔的Ti6Al4V铸件拉伸性能对比
实施例3
一种有U形贯通内孔的ZTA15钛合金铸件的砂型制备方法，具体制备步骤如下：
1、制备镶嵌体：
1.1、镶嵌体毛坯制备
根据铸件的三维模型建立镶嵌体的三维模型，对于U形贯通内孔可以采用热加工的方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔,镶嵌体异形内孔的形状和尺寸与铸件异形内孔的形状和尺寸相同；由于镶嵌体异形内孔为贯通式，向铸件表面外延长两个内孔结构作为通孔定位部分，长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长5mm。为保证镶嵌体定位稳固，在镶嵌体毛坯另一侧上不影响铸型制备的位置焊接一个实心定位端，实心定位端由实心镶嵌部分和实心定位部分构成，实心镶嵌部分的长度与该位置铸件壁厚相同，实心定位部分的长度是在该位置铸件表面的基础上向外表面延长5mm，实心定位端与镶嵌体毛坯同材料，镶嵌体毛坯的厚度为2mm；镶嵌体的材质为TA1纯钛；
将制成的镶嵌体毛坯进行退火处理，以消除残余应力，防止镶嵌体毛坯变形。根据镶嵌体的材质，退火温度为700～850℃，保温时间2～4小时后随炉冷却到室温；
1.2、镶嵌体毛坯处理：
在镶嵌体毛坯的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体毛坯的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h为1mm，宽度w为2mm，沟槽的深度h和宽度比为0.5:1，沟槽的开槽率为70％。对加工后的镶嵌体毛坯进行超声清洗，去除油污，获得镶嵌体；
2、砂型制备：
2.1、型砂制备：根据用砂量，按如下质量百分比称取各组分：60目～100目的铝矾土砂20％；15目～35目的铝矾土砂20％；硅酸盐粉8％；硅溶胶15％；余量为225目～300目的铝矾土粉；采用混砂机配置型砂，先将铝矾土粉、铝矾土砂、硅酸盐粉加入混砂机内，混料2.5小时后，加入硅溶胶，搅拌0.5小时后卸出型砂；
2.2、制备面层涂料：
2.2.1、制备混合溶液：按照如下质量百分比称取面层涂料各组分原料：醋酸钙30％；氯化钙10％；余量为水；按比例将各组分原料全部放入搅拌器内混合均匀，制得混合溶液；
2.2.2、制备粘结剂：将混合溶液按照体积比1:2.4与二醋酸锆搅拌均匀制成粘结剂；
2.2.3、制备面层涂料：面层涂料各组分的质量百分比为：粘结剂40％；正丁醇0.5％；余量为氧化钇粉；将面层涂料各组分混合并充分搅拌均匀，制成面层涂料；
2.3、制备砂型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作模具，利用模具和型砂压制砂型，并自然干燥；然后将砂型预热至90℃，用压缩空气清除砂型表面浮砂和外来物，将面层涂料喷涂到浇注时与金属液接触的砂型表面形成涂层，涂层厚度为1mm，涂层自然干燥至少1小时后，修补涂层漏涂、脱落、孔洞等表面缺陷，然后自然干燥至少10小时；
3、镶嵌体装配；
将镶嵌体通孔定位部分和实心定位部分安装石墨装配套，然后和砂型结构组装在一起，使镶嵌体内腔与铸件内腔的成形位置重合；
4、砂型高温焙烧：将内部含镶嵌体的砂型放入电阻炉内进行高温焙烧，焙烧温度850℃，保温3小时；
5、熔炼浇注：在真空环境下利用内部有镶嵌体的砂型进行熔炼浇注。
6、切割：将铸件上残留的浇注***、通孔定位部分和实心定位部分切除获得钛或钛合金铸件。
根据此工艺，分别原始态的镶嵌体和用开槽处理后的镶嵌体制备含异形内孔的钛合金铸件，铸件的熔合率和力学性能对比见表3。
表3含异形内孔的ZTA15铸件拉伸性能对比
Claims (1)
1.带有异形内孔的钛或钛合金铸件砂型铸造方法，所铸造的铸件(1)的内部带有铸件异形内孔(1a)；其特征在于，采用砂型铸造方法进行钛或钛合金铸件的铸造，铸造的步骤如下：
1.1、镶嵌体制备：
1.1.1、镶嵌体毛坯制备：
根据铸件的三维模型建立镶嵌体(3)的三维模型，采用机械加工方法制作镶嵌体毛坯，镶嵌体毛坯带有镶嵌体异形内孔(2),镶嵌体异形内孔(2)的形状和尺寸与铸件异形内孔(1a)的形状和尺寸相同；镶嵌体毛坯带有通孔定位端和实心定位端，通孔定位端由通孔镶嵌部分(3a)和通孔定位部分(3b)组成，通孔镶嵌部分(3a)被包裹在铸件(1)内部，是构成铸件(1)的异形内孔(1a)的一部分，通孔定位部分(3b)伸出铸件(1)表面的外面，通孔定位部分(3b)的长度是在铸件(1)表面的基础上向表面外延长t＝5mm～20mm,实心定位端由实心镶嵌部分(3c)和实心定位部分(3d)组成，实心镶嵌部分(3c)被包裹在铸件(1)内部，实心定位部分(3d)伸出铸件(1)表面的外面，实心定位部分(3d)的长度是在铸件(1)表面的基础上向表面外延长t；镶嵌体毛坯的壁厚为1mm～5mm；镶嵌体(3)的材质为钛或与钛合金铸件相同的材质；
1.1.2、镶嵌体毛坯处理：按照下述方案Ⅰ或方案Ⅱ其中之一进行镶嵌体毛坯处理：
1.1.2.1、方案Ⅰ：对镶嵌体毛坯进行壁厚减薄：壁厚减薄的步骤是：
1.1.2.1.1、计算机模拟浇注：首先通过计算机数值模拟的方法进行浇注过程模拟，得出镶嵌体毛坯与铸件1的熔合效果；
1.1.2.1.2、壁厚减薄：对上述镶嵌体毛坯与铸件1的熔合率进行检查，找出熔合率不合格的区域，对熔合率不合格区域的镶嵌体毛坯的壁厚进行减薄，减薄的幅度为0.05mm～0.1mm；熔合率不合格是指未熔合或者熔合率低于50％；
1.1.2.1.3、重复步骤1.1.2.1.1～1.1.2.1.2，直到熔合率满足要求为止；
1.1.2.1.4、根据熔合率满足要求时所确定的镶嵌体毛坯的壁厚，在对镶嵌体毛坯的通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)进行保护后，对镶嵌体毛坯通过化铣进行壁厚减薄，壁厚减薄以后成为镶嵌体(3)；
1.1.2.2、方案Ⅱ：在镶嵌体毛坯的表面增加沟槽：采用机械加工的方法在镶嵌体毛坯的外表面增加相互交叉的网格状沟槽，沟槽的横截面为三角形，沟槽的深度h和宽度w比为h/w＝0.2:1～0.7:1，镶嵌体毛坯的通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)不开槽,镶嵌体毛坯其余表面的开槽率为30％～70％；
1.2、砂型制备：
1.2.1、型砂制备：根据用砂量，按如下质量百分比称取各组分：60目～100目的铝矾土砂10％～20％；15目～35目的铝矾土砂10％～20％；硅酸盐粉2％～8％；硅溶胶8％～15％；余量为225目～300目的铝矾土粉；采用混砂机配置型砂，先将铝矾土粉、铝矾土砂、硅酸盐粉加入混砂机内，混料1.5小时～2.5小时后，加入硅溶胶，搅拌0.5小时后卸出型砂；
1.2.2、制备面层涂料：
1.2.2.1、制备混合溶液：按照如下质量百分比称取面层涂料各组分原料：醋酸钙20％～30％；氯化钙5％～10％；余量为水；按比例将各组分原料全部放入搅拌器内混合均匀，制得混合溶液；
1.2.2.2、制备粘结剂：将混合溶液按照体积比1:1.8～1:2.4与二醋酸锆搅拌均匀制成粘结剂；
1.2.2.3、制备面层涂料：面层涂料各组分的质量百分比为：粘结剂30％～40％；正丁醇0.1％～0.5％；余量为氧化钇粉；将面层涂料各组分混合并充分搅拌均匀，制成面层涂料；
1.2.3、制备砂型：根据铸件图纸和镶嵌体图纸制作模具，利用模具和型砂压制砂型，并自然干燥；然后将砂型预热至65℃～90℃，用压缩空气清除砂型表面浮砂和外来物，将面层涂料喷涂到浇注时与金属液接触的砂型表面形成涂层，涂层厚度为0.5mm～1mm，涂层自然干燥至少1小时后，修补涂层漏涂、脱落、孔洞表面缺陷，然后自然干燥至少10小时；
1.3、镶嵌体装配：将镶嵌体通孔定位部分和实心定位部分和砂型(4)组装在一起，使镶嵌体内腔与铸件成形后内腔的位置重合；
1.4、砂型高温焙烧：将内部含镶嵌体的砂型放入电阻炉内进行高温焙烧，焙烧温度700℃～950℃，保温3小时～5小时；
1.5、熔炼浇注：在真空环境下利用内部有镶嵌体的砂型进行熔炼浇注；
1.6、切割：将铸件上残留的浇注***、通孔定位部分(3b)和实心定位部分(3d)切除，获得钛或钛合金铸件。
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