大型薄壁复杂框架式结构钛合金铸件的研制
大型复杂钛合金薄壁件精铸成形技术研究进展
大型复杂钛合金薄壁件精铸成形技术研究进展赵瑞斌【摘要】Large complex thin-walled titanium alloy precision casting is the most advanced technologies in the world of military and civil aviation field.This paper introduces its process flow, technical features and the domestic and international research frontier achievements. Combined with the most popular international computer numerical simulation and 3D print and other new technology, summarizes the research trend and development direction of this technology in China: theory research strengthen of the investment casting process, research of titanium alloy design and exploration of large thin wall complex higher performance of casting titanium alloy, construction of model library, development of automatic coating machine slurry and sanding process, better quality management and control of the whole process, more emphasis on application of 3D printing technology in the fields of the manufacture and investment casting process of titanium alloy.%大型复杂薄壁钛合金精密铸造技术是当今世界军用与民用航空领域的尖端技术。
高强度模料的研制及在大型薄壁钛合金精铸件上的应用
收 稿 日期 ：０ １０ —３ 修 订 日期 ：０ １０ ２０ —２２ ； ２ ０－３２ 作 者 简 介 ： 海 （９ ８ ） 男 ， 京 航 空材 料 研 究 院 高级 工 程 南 １６ ． 北
２ 模料成分 、 配制工艺 与主要性 能
维普资讯
第 ２ 卷第 ３ ６ 期
２ ０ 年 ３月 ０２
机
械
工
程
材
料
Ｖ０ ２ Ｎ ３ Ｌ ６
Ｍ ａ‘２ ０ ｒ ０２
Ｍ ａ ｅｉｌ ｆ ｒ Ｍ ｅ ｈ ｎｃ ｌ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ ｔ ｒａｓ ｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｉｅ ｒｎ
中图分类号 ： ２ ９５ ＴＧ ４ ． 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ —７８ ２０ ） ３ ０ ５Ｏ ０ ０３ ｎｄ ＩｓＵｓ ｎ Ｌａ ｇ ｎ Ｗ ａｌＴｉａ ｉｍ ｇ ｔｅ ｇ ｈ Ｗ ｘ ａ ｔ ｅ ｉ ｒ ｅ Ｔｈｉ ｌ ｔ ｕ ｎ Ｉ ｖ ｓｅ ｅ ｔＣ ｔｎ ｎ ｅ ｔｍ ｎ ａｓｉ ｇ
Ｋ ｅ ｌ ：ｈｇ ｔｅ ｇ ｈｗａ ；ｔｔ ｉｍ ｏ ｙ ｗｏ ｄｓ ｉｈｓ ｒｎ ｔ ｘ ｉ ｕ ａＬｙ￣［ｖ ｓｍ ｅ ａ ｔ ｇ ｎ ａ Ｌ ｎ ｅ ｔ ｍ ｃ ｓｉ ｎ
１ 引
言
外大型复杂整体薄壁铸件熔模精密铸造通常都使用 中温高强度液态模料制模 ， 我国 目前对多元模料的 研究处于起步阶段 。虽已经对大型铸件用的多元模 料进行了研究 ， 尚未研制出一种高质量的、 但 符合大 型复杂整体薄壁钛合金精铸要求 的模料 为此， 我 们开展了钛台金精铸用新 型高强度模料 的研究， 以 期加速大型薄壁熔模精密铸造这一新技术在我国的 推广应用。该模料 的性能指标和技术要求见表 １ 。
科技成果——钛合金薄壁复杂精密铸造技术
科技成果——钛合金薄壁复杂精密铸造技术技术开发单位中国航空工业集团公司北京百慕航材高科技股份有限公司技术简介钛及钛合金已成为航空、航天、能源、船舶、化工及医疗领域不可缺少的材料，但钛的化学活性高，铸造难度大，常规铸造技术难以满足目前航空航天等领域对薄壁、异性、结构和功能统一钛合金精密铸件的需求。
技术开发单位突破了合金研究与制备、铸件设计与制造、型壳材料与制造、铸件离心铸造成型、铸件热等静压处理与热处理、铸件酸洗、铸件补焊、铸件无损检测、铸件理化力学性能分析、国内外技术规范等多项与钛合金精密铸造密切相关的关键技，拥有大型复杂薄壁钛合金精密铸造的成套技术，化学稳定性高、耐火度高、强度高、精度高，居国内领先、国际先进水平，有多项专利及自有技术，建立了国内规模最大的钛合金精密铸造生产线。
主要技术指标能够制造大型、复杂、薄壁钛合金铸件，满足GB/T6614《钛及钛合金铸件》、GJB2896A《钛及钛合金熔模精密铸件规范》、HB5448《钛及钛合金熔模精密铸件》、ASTMB367《钛及钛合金铸件标准》及AMS等标准要求。
铸件材料：ZTC4、ZTA15等各种铸造钛合金；铸件性能：σb：450-950MPa；δ：5-10%；工作温度：室温350-500℃。
技术特点具有优异的耐腐蚀性，重量轻，强度高，具有较高的比强度，是良好的减重材料和耐腐蚀材料，可替代钢、铝合金。
该技术是钛合金零件近净成型的先进方法，保证了零件的结构完整性，简化了机加工量，减少或省去了零件组焊，提高了装配效率，稳定了质量，同时降低了用钛成本。
采用真空感应进行钛及钛合金熔炼浇铸，适宜制造复杂薄壁精密钛合金铸件，降低钛合金铸件生产成本，缩短制造周期。
采用先进的无损检测技术以及计算机辅助设计及制造技术等，提高了产品质量。
通过对型壳用耐火材料和粘结剂的研究开发，大大提高了钛合金薄壁复杂精铸件的尺寸精度。
氧化物面层陶瓷型壳特别适用于批量制造、无加工余量。
大型、薄壁钛合金支持框架铸件的研制
大型、薄壁钛合金支持框架铸件的研制李义军，朱明渝贵州安吉航空精密铸造有限责任公司，贵州安顺摘要：介绍了采用熔模精密铸造工艺，研制大型钛合金支持框架铸件的工艺。
关键词：大型复杂薄壁钛合金熔模精密铸造钛及钛合金是性能优异的金属材料，具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好等优点，广泛应用于航空、航天、船舶、电子等各个领域。
起初，钛合金精密铸件仅用于制造中、小零件。
钛合金铸造技术的不断成熟，大型、薄壁、复杂、整体精密钛合金铸件在航空、航天飞行器上应用已经实现[1]-[4]。
这类铸件外廓尺寸大、壁薄、结构复杂，实现近净成形铸造的难度很大，只有少数发达国家拥有这种先进的铸造技术[1]-[5]。
我国于90年代才开始进行大型钛合金铸件整体铸造技术的研究，且多集中于环形铸件。
本文介绍了采用熔模精密铸造工艺生产大型、薄壁框架结构钛合金支持框架的研制过程。
1 铸件概况支持框架主要由外框架、变曲率曲面、加强筋、装配凸台、穿轴孔五种结构组成，铸件轮廓尺寸为1450mm×835mm×772.2mm，最小壁厚仅为2.5mm，铸件理论重121.8Kg。
材质为ZTC4，内部质量按G B/T 6614 I类B级，尺寸精度按GB/T 6414 CT7级验收。
铸件的化学成分和力学性能见表1和表2。
1 铸造工艺可行性分析1.1 机械性能能力分析钛合金铸件的机械性能主要由合金元素含量决定，作为强化项元素的铝和氧，其含量高低，决定铸件机械性能是否能达到要求。
图2、图3为氧含量在0.05％～0.08%，铝含量在5.5%～6.75%时，ZTC4合金在常温下的力学性能曲线图，从曲线变化趋势可知，在标准要求的成分范围内，铸件力学性能检测能达到要求。
1.2 铸件结构分析支持框架其主体结构由2个变曲率曲面和2.5mm～3.5mm的筋板构成，两端各有一处平均厚度为50mm的厚大热节，且均在铸件内腔，对清理冒口增加很大难度。
内腔筋板减轻孔边缘一圈加强作用的唇口，使模具复杂程度增加。
复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术研究及进展探讨
复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术研究及进展探讨【摘要】在现代化的今天，我国复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术有很大程度的发展和进步，能够为航空、交通、军事、工业等领域提供质量更好、性能更强的零件。
可以说，不断提高铸造技术是非常必要的，能够创造出应用效果良好的铸件，促使铸件在各个领域中充分的发挥其作用。
为此，本文就能够制造出复杂性、薄壁、精密度高、性能较高、质量较好的铝合金铸件的铸造技术及其发展进程展开详细的分析和探讨。
【关键词】薄壁精密铝合金；铸件；铸造技术一、铸件及复杂薄壁精密铝合金铸件的简单介绍所谓铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，经冷却后，所得到的具有一定形状、尺寸和性能的物件。
直到今天，铸件已经具有悠久的历史，最早古代人们用铸件作为一些生活用具，而今天铸件的应用更加广泛。
目前我国所应用的铸件已经具有多种不同的类型，按金属材质可分为：铸钢件、铸铁件、铸铝件、铸锌件等；按化学成分进行分类，包括：灰铸铁件、球墨铸铁件、合金铸铁件等；按铸型成型方法分类，包括：普通砂型铸件、金属型铸件、连续浇注铸件、渣重熔铸件、双金属铸件等。
复杂薄壁精密铝合金铸件则是说明这一铸件具有复杂性、薄壁、精密、性能好、质量高等特点。
铝合金材质的铸件具有复杂性是因其内部轮廓结构非常复杂，可能是具有较多的凸台、可能是断面过渡太够突然等情况存在。
薄壁是对铸件的厚度要求较高，一定要保证其厚度在某个范围内，以保证铸件很薄，符合应用要求。
精密是铸件在制作的过程中尽量达到精益求精，以保证一次成型的逐渐能够近似于设计图纸上的图形。
性能较高是由于铸件本体指定部位解剖力学性能要求较高，在进行铸件制作时一定要高标准的进行制作，以保证铸件具有良好的性能。
质量高是因铸件内部质量要求较高，在进行铸件制作过程中应时刻注重其质量，尽量提高铸件的质量。
二、复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术及其进展的分析随着我国经济水平的提高，我国工业、航空、交通、军事等领域有了很大程度的发展和进步。
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和加 固工装 总重量超过２ 吨）提出 了很高 的要求 。
图２ Ｚ Ｔ Ｃ ４ 合金的断面收缩率和伸长率
Ｆｉ ｇ ． ２ Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｒ ｅ ａ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｏ ｎ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆＺ ＴＣ４ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ
３ 采取的应对 措施
３ ． １ 蜡模 的研制 及浇 注方 案 的设计
由 于 该 铸 件 是 框 形 、复 杂 薄 壁 件 ，平 均 壁 厚
３ ｍｍ，最 薄处只 有２ ． ５ ｍｍ，蜡模 压 型不易 充满 。通 过 采用 Ｍｏ ｌ ｄ ｌ ｆ ｏ ｗ软件 进 行模 拟分 析 ，选 出合 理 的注塑 方
（ １ ）蜡模 制作 ：铸件 结来自 复杂 ，分 型面 众多 ，模 具 结构过 于复杂 ，难 以保证蜡模 尺寸精度 。
无经 验 可 以借 鉴 ，需要 通过 一定 的试 验摸 索铸件 的收 缩率 ，规 避模 具报 废风 险 。因而 ，借鉴 同类 结 构 的 中 等 铸 件 收 缩 率 ：长 度 方 向 按 １ ． ２ ％ ，高 度 、 宽 度 按
１ ． ９ ％，浇注 系统 比例 按 １ ： ３ ： ７ 。 同时采用快 速成 形技 术
制作 出工 艺参 数试 验件 ，摸 索铸 件 的实际 收缩率 ，也 可充 分暴 露工 艺 方案 和真 空熔炼 浇注设 备 的不 足 ，便
于采取 相应 的改进 措施 。
（ ２ ） 组 合 方 案 设 计 ：铸 件 采 用 真 空 离 心 浇 注 成
２ ． ２ 工艺 分析
３ ． ２ 工艺参数选择及浇注系统设计
大型铸 件 的模 具结 构复 杂 ，成本高 ，收缩 率设 置
不 当会 导致模 具 报废 。且这 种结 构 的大型 铸件在 国 内
铸件 主体结构 由２ 个 变 曲率 曲 面 和 厚 度 为 ２ ． ５ ～ ３ ． ５ ｍｍ的筋 板 构成 ，两 端各 有 一处 厚度 约 为 ５ ０ ｍｍ的 厚 大 热节 ，且 均处 于铸 件 内腔部 位 ，给设 置 和清理 补 缩 冒 口增 加很 大难 度 。 内腔 筋板 减轻 孔边 缘有 一 圈起 加 强 作用 的 翻边 ，使模 具 复杂程 度增 加 。基 于上 述分 析 ，铸件 的研 制主要存 在 以下难 点 。
域 ，浇注 时型壳脱落 和发生跑火 的风险较大 。
（ ４ ）浇 注 ：铸件 的结构特 点造成铸 件离心半 径悬
殊 大 ，离心 转速 难 以确定 。离心 转 速低无 法 成形 ；离 心 转 速高 型壳 易破裂 产 生跑火 ，铸 件成形 困难 。由 于 钛 合金 铸件 的工艺 出品率 低 ，仅 ２ ０ ％左 右 ，对 设备 的 熔 化量 、离 心盘 高转 速下 的承 重能力 （ 经 估算 ：型壳
铸造
李义军等： 大型薄壁复杂 框架式结 构钛合金 铸件的 研制
・ ２ ５ ７・
化学 成分范 围 内，铸件力 学性能能 达到要求 。
（ ３ ） 型 壳 制备 ：铸件 外 形 轮廓 大 、 内腔结 构 复
杂 ，涂 料 、撒砂 操 作 困难 。且 因铸 件 内腔结 构 复 杂 ，
难 以实现 均匀 干燥 ，型 壳易在 局部 位置形 成 低强 度 区
案 。蜡 模采 用整 体 出模 结 构 ，规 定制 作 的模具 活块 配
合 面 的尺寸精 度 。同时 ，设 计专 用 的工装 夹具 、组 合
测具 ，保 证 蜡模 尺寸 。最 终 ，得 到尺 寸达 到工 艺要 求
的蜡模 。
炉 次， 次
考虑 到蜡 模轮 廓尺 寸 大 、壁 厚小 ，为 使蜡模 在 组
合及 涂 料翻转 过 程 中不 发 生变形 、断 裂 ，选用 了高 强 度优 质蜡料 。
图３ Ｚ Ｔ Ｃ ４ 合金的抗 拉强度 和屈服 强度
Ｆ ｉ ｇ ． ３ ｈ ｅ Ｔ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎｇ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｙ ｉ ｅ ｌ ｄ ｓ ｒｅ ｔ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆＺＴ Ｃ４ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ
形 。因铸件不规则 ，无法将直浇道设置在铸件 的理论 中心 和重 心位 置 ，偏 心 较严 重 。 同时 ，铸 件整 体壁 厚
仅３ ｍｍ，且为框 架式 结构 ，金属 液 流动通 道少 ，需要 开 设 大浇 道 比保证 铸件 的成 形 ，对真 空设 备金 属熔 化 量 提 出很 高 的要求 。
通过 对工 艺试 验件 的测 量 、分 析 ，最终 确定 铸 件 收缩 率 。长 度 方 向综 合 收缩 率 为 １ ． ２ ５ ％ ，高度 和 宽 度
方 向综合 收缩率 为 １ ． ８ ％。 真空 自耗 电极 电弧 炉熔炼 的钛 液过 热度 低 ，钛 液
进入 型壳 后 ，凝 固速度 非 常快 ，充型 能力 下降 。金 属