CN113996751A - 一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法。该方法首先对目标产品的凝固过程进行数值模拟分析，确定最后凝固区域，在该区域建立随形激冷块的三维模型，进而制备形状相同的快速成型构件及石墨构件，然后以目标产品为原型进行钛合金精密铸造，在制模工序中，将快速成型构件粘接在目标产品蜡模的对应位置，在制壳工序中将快速成型构件附近的浆料刮除，当焙烧完成后，将石墨构件放入快速成型构件脱除后留下的空腔中，接缝处用浆料密封，得到石墨镶嵌陶瓷复合型壳，然后进行钛合金的熔炼浇注。本发明借助石墨的激冷作用，加快产品厚大结构的凝固速度，起到局部组织晶粒细化的作用。
Description
技术领域
本发明属于钛合金精密铸造技术领域，具体为一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法。
背景技术
钛合金精密铸造是指采用熔模精密铸造的工艺方法，进行制备蜡模、制备型壳、脱蜡、焙烧等工序，获得具有特定内腔的陶瓷模壳，然后向模壳内浇注液态钛合金，凝固后获得金属铸件产品。钛合金铸件的显微组织通常都是从高温β区冷却下来形成的转变β组织，铸造α和近α型钛合金的典型显微组织和α+β型的显微组织都保持这原始的β晶界，晶界内由针状或片状以及网篮状的α组织组成。以钛合金精密铸造最常用的ZTC4合金材料为例，它的液相线温度为1650℃，固相线温度为1600℃，在液态金属凝固过程中，ZTC4合金首先在液相中析出β相，形成β单相合金，当温度降至相变温度975～1005℃摄氏度时，发生β相向α+β相转变，原始β相晶界聚集着残余的β相，内部是片状α相，通常以魏氏体的组织存在。
钛合金精密铸件通常存在厚大区域组织晶粒粗大的问题。钛合金精密铸造通常采用氧化钇面层-铝矾土背层的陶瓷型壳，该型壳导热系数低、散热能力差，导致厚大区域凝固速度慢，原始β晶粒长大，在冷却至室温时保留有大尺寸的原始β晶界，因此局部组织晶粒粗大。例如当结构的厚度超过10mm时，ZTC4合金的原始β晶粒的平均直径会超过3mm。研究表明，钛合金晶粒尺寸与抗拉强度、屈服强度等力学性能存在负相关关系，组织晶粒粗大将导致钛合金力学性能的下降，降低钛合金铸件的服役指标。
添加变质剂、机械振动以及加快冷却速率的方法是常用的钛合金组织晶粒细化方法。向合金中添加硼化物等变质剂能够增加液态钛合金的凝固形核点，但这种方法容易向合金中引入杂质元素，不适用于对化学成分要求高的产品。机械振动依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，增加形核数目，但是机械振动对铸型强度要求高，振动频率过快容易导致精铸型壳破裂，因此实用性较低。加快冷却速率能够增加液态金属的过冷度，增大形核率，在炉内通入氩气、降低型壳厚度或更改型壳材料都可以加快冷却速率，但目前这些方法都只能整体细化晶粒，不能实现局部可控的晶粒细化，而且会还带来跑火、浇不足等铸造问题，降低浇注成型合格率。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法，以解决钛合金精密铸造型壳散热慢，局部晶粒粗大的问题。
本发明的技术方案是：一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法，包括以下步骤：
首先对目标产品的凝固过程进行数值模拟分析，确定最后凝固区域；
通过三维建模，提取确定的最后凝固区域，并建立随形激冷块的三维模型，所述随形激冷块的形状与提取的最后凝固区域互补；
利用所述随形激冷块的三维模型，制备形状相同的快速成型构件及石墨构件；
以目标产品为原型进行钛合金精密铸造，在制模工序中，将所述的蜡模构件粘接在目标产品蜡模的对应位置，所述对应位置为所述最后凝固区域与随形激冷块的互补面，在制壳工序中将所述快速成型构件附近的浆料去除，使所述快速成型构件的外侧面暴露在外，直至制壳工序完成，当焙烧完成后，将石墨构件放入快速成型构件脱除后留下的空腔中，得到石墨镶嵌陶瓷复合型壳，然后进行钛合金的熔炼浇注。
本发明借助石墨的激冷作用，加快产品厚大结构的凝固速度，起到局部组织晶粒细化的作用，本发明位置选择灵活，区域大小可调，适用于多种形状的钛合金精密铸造产品。
附图说明
图1是本发明的方法的流程图；
图2是表示本发明实施例中在制壳工序完成后的型壳模组的示意图；
图3是沿图2的A-A线的剖视图。
图中：1-目标产品蜡模、2-最后凝固区域、3-快速成型构件、4-陶瓷型壳
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法，包括以下步骤：
(1)将目标产品的三维模型导入至数值模拟软件(比如ProCAST或华铸CAE)中，然后进行铸造凝固模拟的前处理操作，包括几何修复、网格划分、材料参数设置、边界条件设置、计算参数设置等操作步骤，全部完成后提交作业计算，计算完成后调用后处理模块，在结果栏中选择凝固时间，通过云图展示以及切片展示的方法显示出铸件各部位的凝固时间，确定铸件的若干最后凝固区域，本文中所述最后凝固区域指的是凝固时间最长的区域。
(2)将目标产品的三维数模导入至CAD建模软件中，利用分割工具将所述铸件最后凝固区域提取出来，并在其外表面以不同颜色进行标示，选择加厚命令，在所述颜色标示的外表面上进行加厚操作，得到一个加厚实体，将所述加厚实体的外侧面修剪成平面，得到随形激冷块的三维模型并另存为单独的模型文件。本步骤中，加厚操作中厚度设置范围为15mm～30mm。
(3)利用所述随形激冷块的三维模型文件，制备形状相同的快速成型构件和石墨构件，快速成型构件可以采用3D打印等工艺制备，制作材料为SLA或SLS，石墨构件一般采用机加工的方法制备，所述石墨构件的制作材料为灰分质量含量0.3％的电极石墨。所述快速成型构件和石墨构件的尺寸差别优选控制在±0.5mm范围内。
(4)以目标产品为原型进行钛合金精密铸造工艺，依次包括制模、制壳、脱蜡、焙烧、浇注和清壳等工序。在制模工序中，在接触面涂抹粘接蜡后将所述快速成型构件粘接在目标产品蜡模的对应位置，所述对应位置为所述最后凝固区域与随形激冷块的互补面，接缝处用修补蜡密封。在制壳工序中，当每一层淋浆和撒砂操作完成后，将所述快速成型构件附近的浆料和砂子去除，使所述快速成型构件的外侧面暴露在空气中，直至制壳工序完成。当脱蜡和焙烧工序完成，所述目标产品蜡模和快速成形构件将被脱除，形成具有内腔的陶瓷型壳，将所述石墨构件放入到所述快速成型构件脱除后留下的空腔中，接缝处用料浆泥密封(所述料浆泥由质量比2～4：1的铝矾土粉和硅溶胶组成)，放入300℃的烘箱中保温4～8小时，得到石墨镶嵌陶瓷复合型壳。利用所述复合型壳进行钛合金的熔炼浇注，经过清壳工序后，得到目标产品钛合金铸件，所述最后凝固区域的组织晶粒将得到细化。
参阅图1-3，其中图1是本发明的方法的流程图，图2是表示实施例中在制壳工序完成后的型壳模组的示意图，图3是沿图2的A-A线的剖视图，本发明的钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法的具体例子如下：
(1)目标产品为环形构件，所述环形构件由环面和外侧等距离分布有8个安装节组成，所述环面的壁厚为3mm，所述安装节呈阶梯形，最大壁厚为20mm。
(2)将所述环形构件的三维模型导入至ProCAST数值模拟软件中；检查并修复所述三维模型的完整性，直至软件中显示合格为止；设置网格尺寸边长统一为3mm，对所述三维模型划分面网格，检查并修复面网格直至显示合格为止；选中所述模型的面网格，设置厚度为15mm进行包壳操作生成型壳面网格，检查并修复面网格直至显示合格为止；点击划分体网格按钮生成体网格，网格划分完毕；切换至CAST模块，设置重力方向为沿所述环面的中轴线竖直向下；设置金属域材料为ZTC4钛合金，型壳材料为Shell bonded sand；设置金属-型壳界面换热系数为600W/(m·K)，设置环境散热系数为20W/(m2·K)，环境温度为25℃；设置计算模式为仅进行凝固传热计算，模拟参数按照默认参数执行，模拟前处理完成。
(3)点击运算按钮，提交仿真作业计算，计算过程将在后台执行，计算完成后调用visualization模块，选中所述型壳部分并隐藏，在结果栏中选择凝固时间，通过云图展示以及切片展示的方法显示出各部位的凝固时间，所述安装节的凝固时间最长，达到90s，所述环面位置的凝固时间为10s，确定铸件的最后凝固区域2为所述8个安装节。
(4)将所述环形构件的三维数模导入至UG软件中，利用分割工具将所述8个安装节提取出来，安装节内侧的表面以红色进行标示，选择加厚命令，在所述红色标示的外表面上进行加厚操作，厚度设置为15mm，得到一个阶梯形的加厚实体，将所述加厚实体的内部孔洞填实，外侧面修剪成平面，得到随形激冷块的三维模型并另存为单独的模型文件。
(5)利用所述随形激冷块的三维模型文件，采用3D打印工艺制备8个SLS快速成型构件3。
(6)利用所述随形激冷块的三维模型文件，采用机加工的方法制备石墨构件，所述石墨构件与所述快速成形构件的形状相同，尺寸差别控制在±0.5mm范围内。
(7)以所述环形构件为模型原型进行钛合金精密铸造工艺，依次包括制模、制壳、脱蜡、焙烧、浇注和清壳等工序。
(8)在制模工序中，将产品模具放在50t压蜡机的工作台面上，压制环形构件蜡模1，在安装节的外侧面上涂抹粘接蜡，将所述快速成型构件粘接在安装节的外侧面上，接缝处用修补蜡密封。将所述环形构件蜡模粘接在浇注***的固定位置，完成制模工序。
(9)在制壳工序中，对所述环形构件蜡模1及浇注***反复进行淋浆、撒砂和干燥操作，共重复13次，当每一层淋浆和撒砂操作完成后，用人工的方法将所述快速成型构件附近的浆料和砂子刮除，使所述快速成型构件的外侧面暴露在空气中，直至制壳工序完成，得到环形构件的型壳模组。
(10)将所述型壳模组放入到电脱蜡炉中进行脱蜡操作，脱蜡温度200℃，脱蜡时间3h。脱蜡完成后将所述型壳模组转移至电焙烧炉中进行焙烧操作，焙烧温度1000℃，焙烧时间12h。当脱蜡和焙烧工序完成后，所述环形构件蜡模和所述快速成形构件将被脱除，得到具有内腔的陶瓷型壳4，将所述石墨构件放入到所述快速成型构件脱除后留下的空腔中，接缝处用料浆泥密封，放入300℃的烘箱中保温4～8小时，得到石墨镶嵌陶瓷复合型壳。
(11)将所述复合型壳放入到100kg真空自耗凝壳炉中进行钛合金的熔炼浇注操作，浇注完成后将型壳从炉中移除，经过清壳工序后，得到目标产品钛合金铸件，所述最后凝固区域的组织晶粒将得到细化。
本发明采用凝固过程数值模拟的方法，精准确定产品的厚大位置，明确产品中组织粗大的高风险区域，通过设计一种新型的石墨镶嵌陶瓷复合型壳，将随形的石墨块精准地放置于目标厚大位置，利用石墨的激冷作用，加快局部的凝固速率，从而实现钛合金精密铸造产品的局部组织晶粒。本发明解决了钛合金精密铸造型壳散热慢，局部晶粒粗大的问题，石墨块的位置和形状可以灵活调节，基本能放置在任意的铸件开放位置以及异形结构处，可以同时细化多个部位的组织晶粒，本发明避免了采用变质剂引起的合金成分污染，克服了炉内通入氩气、降低型壳厚度或更改型壳材料导致的炮火、浇不足等铸造问题，定位精准，操作方便，型壳质量高，是一种高效的、成本低廉的钛合金精密铸造组织晶粒的细化方法。
Claims (8)
1.一种钛合金精密铸造局部组织晶粒细化的方法，包括以下步骤：
首先对目标产品的凝固过程进行数值模拟分析，确定最后凝固区域；
通过三维建模，提取确定的最后凝固区域，并建立随形激冷块的三维模型，所述随形激冷块的形状与提取的最后凝固区域互补；
利用所述随形激冷块的三维模型，制备形状相同的快速成型构件及石墨构件；
以目标产品为原型进行钛合金精密铸造，在制模工序中，将所述的蜡模构件粘接在目标产品蜡模的对应位置，所述对应位置为所述最后凝固区域与随形激冷块的互补面，在制壳工序中将所述快速成型构件附近的浆料去除，使所述快速成型构件的外侧面暴露在外，直至制壳工序完成，当焙烧完成后，将石墨构件放入快速成型构件脱除后留下的空腔中，密封接缝处后得到石墨镶嵌陶瓷复合型壳，然后进行钛合金的熔炼浇注。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述快速成型构件采用3D打印制备。
3.按照权利要求2所述的方法，其中快速成形构件的制作材料为SLA或SLS。
4.按照权利要求1所述的方法，其中石墨构件的制作材料为灰分质量含量0.3％的电极石墨。
5.按照权利要求1所述的方法，其中所述密封接缝处采用料浆泥进行，所述料浆泥由质量比2～4：1的铝矾土粉和硅溶胶组成。
6.按照权利要求5所述的方法，还包括在所述密封接缝处之后，将陶瓷型壳在300℃下保温4～8小时。
7.按照权利要求1所述的方法，其中所述快速成型构件和石墨构件的尺寸差别控制在±0.5mm范围内。
8.按照权利要求1所述的方法，其中所述石墨构件采用机加工方法制备。
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- 2021-10-13 CN CN202111191933.XA patent/CN113996751A/zh active Pending
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