钛合金真空泵叶轮铸造工艺研究

钛合金作为一种新型工程结构材料， 它具有优异的综合性能，如：密度小 (4.5g/cm³ ) ，仅为普通结构钢的 56% ，强度可与高强度钢相媲美，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，同时具有低温韧性、良好的抗蚀性能等 [1] 。 因此，它在航空、航天、舰船等工业部门获得日益广泛的应用。 钛及钛合金铸件被用作泵体、叶轮、阀门等部件时，不但延长了设备的使用寿命，还降低了设备停车检修的频率。

1、叶轮的结构特征

钛合金叶轮结构示意图如图 1 所示。可以看出，此叶轮结构复杂，壁厚差异大，叶片部位薄 (5mm) ，叶片数量多 ( 均布22片 ) ，而轴孔处与扣环装配部位厚 (25mm) 。 叶轮的外形尺寸为准351mm×280mm ，铸造精度为CT8级，每个叶片依照水力图其流道的尺寸和形状须符合图纸要求， 叶轮表面不允许有裂纹、冷隔等缺陷存在，铸件尺寸精确，流道表面光滑。

在钛合金泵中，叶轮属于复杂薄壁件，重量较轻，不仅铸造工艺出品率低，而且成品率也不高。

2、叶轮的工艺分析及铸造

2.1 分型面的选择

机加工石墨型的分型多种多样， 受限制因素较少，在实际的生产中，确定分型面时，要注意以下原则： ① 应选择在最大平面上， 减少过多分型面和错位； ② 有利于浇注系统的设置； ③ 有利于模具的加工、装配和使用寿命； ④ 不能影响铸件的尺寸精度；⑤ 确保下芯操作方便，型芯安放稳定 [2] 。

为此，上下方向以铸件中心线为分型面，型芯做成整体型。根据样板划线制作外型和型芯， 此铸型的型腔和型芯形状及尺寸依靠加工中心完成。

2.2 浇铸系统的选择

根据叶轮的结构特征，叶轮轴孔处是厚实部位，热节最大， 易产生缩孔缺陷， 故选用底注式浇铸工艺，同时在轴孔的顶端设置冒口，通过浇注系统进行补缩，钛液从叶轮下型的轴孔处引入，有利于铸件按照顺序凝固原则进行凝固，达到更好的补缩效果。此浇注工艺方法可实现一炉多件叶轮铸件的浇注，大大提高了铸件出品率和成品率。

2.3 增加铸型的通气能力

通气性差是石墨型材料本身固有的缺点之一。气体在钛中的溶解具有放热效应，即温度的升高，溶解度降低，从液态向固态转变时，气体在钛中的溶解度发生突变， 这是钛液凝固过程中气孔形成的主要因素。为增加铸型的通气能力，可沿铸型分型面圆周上开若干排气孔， 在叶片对应的上型面均匀设置排气孔， 其数量和截面大小应当保证气体从铸型内迅 速排除，有利于减少和防止气孔的产生。

2.4 铸型的除气

加工完石墨铸型和型芯，往往含有水分、油污和高温挥发物，必须在浇注前除掉这些杂质。铸型除气是在真空炉内进行，加热的温度为900~950℃ ，保温时间为 2~4h ，保温结束后，在真空状态下随炉冷却，温度降至 350℃ 以下，可停止抽真空，铸型出炉温度不得高于 300℃ ， 避免引起石墨铸型和型芯表面氧化。真空除过气的石墨铸型在组型时，不能直接放置在地面上，由于地气的作用，除过气的石墨铸型很容易吸收地表的潮气，当高温钛液浇入铸型时，石墨铸型放气，铸件表面容易产生气孔。

2.5 叶轮的浇铸

铸件采用耐腐蚀和焊接性能优异的 ZTA2 ，浇铸采用真空自耗电弧炉熔炼的二次铸锭。 为了增加钛液在石墨铸型内的流动性， 浇注前铸型需进行预热，预热后的石墨铸型在真空自耗电极电弧凝壳炉内进行浇注，浇注完成后，随炉冷却 1~2h ，待铸件冷却至 300℃ 以下出炉。 出炉后进行清理型芯， 铸件经打磨、探伤、真空退火和喷砂处理，铸件表面光滑，无裂纹和冷隔现象。 经检验，铸件尺寸完全符合设计要求。

3、成分及力学性能

对浇铸叶轮时的随炉试样取样分析， 拉伸试样按 GB/T6397 《金属拉伸试验试样》中的 R7 试样进行加工。 拉伸试验按 GB/T288 《金属拉伸试验方法》进行，硬度在冲击试样上测定。测试结果如表 1 和表2 所示。

表 1 叶轮的化学成分 ( 质量分数， % )

表 2 叶轮的室温力学性能

4、结论

通过对钛合金真空泵叶轮机加工石墨型铸造工艺的研究，对石墨铸型进行预热，选用了底注式浇注工艺，通过浇注系统进行补缩，液体直接从叶轮厚实处引入， 有利于铸件按顺序凝固原则进行凝固并得到较好的补缩；同时在铸型分型面上设置排气孔，在叶片对应的上型面均匀开排气孔， 铸造出质量优良的复杂钛合金真空泵叶轮铸件。

参考文献：

[1] 娄贯涛 ． 钛合金的研究应用现状及其发展方向 [J]． 钛工业进展， 2003(2) ： 9-13．

[2] 谢成木 ． 钛及钛合金铸造 [M]． 北京： 机械工业出版社，2004．