鈦合金真空泵葉輪鑄造工藝研究

鈦合金作為一種新型工程結構材料， 它具有優異的綜合性能，如：密度小 (4.5g/cm³ ) ，僅為普通結構鋼的 56% ，強度可與高強度鋼相媲美，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，同時具有低溫韌性、良好的抗蝕性能等 [1] 。 因此，它在航空、航天、艦船等工業部門獲得日益廣泛的應用。 鈦及鈦合金鑄件被用作泵體、葉輪、閥門等部件時，不但延長了設備的使用壽命，還降低了設備停車檢修的頻率。

1、葉輪的結構特征

鈦合金葉輪結構示意圖如圖 1 所示。可以看出，此葉輪結構復雜，壁厚差異大，葉片部位薄 (5mm) ，葉片數量多 ( 均布22片 ) ，而軸孔處與扣環裝配部位厚 (25mm) 。 葉輪的外形尺寸為準351mm×280mm ，鑄造精度為CT8級，每個葉片依照水力圖其流道的尺寸和形狀須符合圖紙要求， 葉輪表面不允許有裂紋、冷隔等缺陷存在，鑄件尺寸精確，流道表面光滑。

在鈦合金泵中，葉輪屬于復雜薄壁件，重量較輕，不僅鑄造工藝出品率低，而且成品率也不高。

2、葉輪的工藝分析及鑄造

2.1 分型面的選擇

機加工石墨型的分型多種多樣， 受限制因素較少，在實際的生產中，確定分型面時，要注意以下原則： ① 應選擇在最大平面上， 減少過多分型面和錯位； ② 有利于澆注系統的設置； ③ 有利于模具的加工、裝配和使用壽命； ④ 不能影響鑄件的尺寸精度；⑤ 確保下芯操作方便，型芯安放穩定 [2] 。

為此，上下方向以鑄件中心線為分型面，型芯做成整體型。根據樣板劃線制作外型和型芯， 此鑄型的型腔和型芯形狀及尺寸依靠加工中心完成。

2.2 澆鑄系統的選擇

根據葉輪的結構特征，葉輪軸孔處是厚實部位，熱節最大， 易產生縮孔缺陷， 故選用底注式澆鑄工藝，同時在軸孔的頂端設置冒口，通過澆注系統進行補縮，鈦液從葉輪下型的軸孔處引入，有利于鑄件按照順序凝固原則進行凝固，達到更好的補縮效果。此澆注工藝方法可實現一爐多件葉輪鑄件的澆注，大大提高了鑄件出品率和成品率。

2.3 增加鑄型的通氣能力

通氣性差是石墨型材料本身固有的缺點之一。氣體在鈦中的溶解具有放熱效應，即溫度的升高，溶解度降低，從液態向固態轉變時，氣體在鈦中的溶解度發生突變， 這是鈦液凝固過程中氣孔形成的主要因素。為增加鑄型的通氣能力，可沿鑄型分型面圓周上開若干排氣孔， 在葉片對應的上型面均勻設置排氣孔， 其數量和截面大小應當保證氣體從鑄型內迅 速排除，有利于減少和防止氣孔的產生。

2.4 鑄型的除氣

加工完石墨鑄型和型芯，往往含有水分、油污和高溫揮發物，必須在澆注前除掉這些雜質。鑄型除氣是在真空爐內進行，加熱的溫度為900~950℃ ，保溫時間為 2~4h ，保溫結束后，在真空狀態下隨爐冷卻，溫度降至 350℃ 以下，可停止抽真空，鑄型出爐溫度不得高于 300℃ ， 避免引起石墨鑄型和型芯表面氧化。真空除過氣的石墨鑄型在組型時，不能直接放置在地面上，由于地氣的作用，除過氣的石墨鑄型很容易吸收地表的潮氣，當高溫鈦液澆入鑄型時，石墨鑄型放氣，鑄件表面容易產生氣孔。

2.5 葉輪的澆鑄

鑄件采用耐腐蝕和焊接性能優異的 ZTA2 ，澆鑄采用真空自耗電弧爐熔煉的二次鑄錠。 為了增加鈦液在石墨鑄型內的流動性， 澆注前鑄型需進行預熱，預熱后的石墨鑄型在真空自耗電極電弧凝殼爐內進行澆注，澆注完成后，隨爐冷卻 1~2h ，待鑄件冷卻至 300℃ 以下出爐。 出爐后進行清理型芯， 鑄件經打磨、探傷、真空退火和噴砂處理，鑄件表面光滑，無裂紋和冷隔現象。 經檢驗，鑄件尺寸完全符合設計要求。

3、成分及力學性能

對澆鑄葉輪時的隨爐試樣取樣分析， 拉伸試樣按 GB/T6397 《金屬拉伸試驗試樣》中的 R7 試樣進行加工。 拉伸試驗按 GB/T288 《金屬拉伸試驗方法》進行，硬度在沖擊試樣上測定。測試結果如表 1 和表2 所示。

表 1 葉輪的化學成分 ( 質量分數， % )

表 2 葉輪的室溫力學性能

4、結論

通過對鈦合金真空泵葉輪機加工石墨型鑄造工藝的研究，對石墨鑄型進行預熱，選用了底注式澆注工藝，通過澆注系統進行補縮，液體直接從葉輪厚實處引入， 有利于鑄件按順序凝固原則進行凝固并得到較好的補縮；同時在鑄型分型面上設置排氣孔，在葉片對應的上型面均勻開排氣孔， 鑄造出質量優良的復雜鈦合金真空泵葉輪鑄件。

參考文獻：

[1] 婁貫濤 ． 鈦合金的研究應用現狀及其發展方向 [J]． 鈦工業進展， 2003(2) ： 9-13．

[2] 謝成木 ． 鈦及鈦合金鑄造 [M]． 北京： 機械工業出版社，2004．