大型钛合金泵体的特种砂型铸造工艺研究

肖强伟，范世玺，纪志军，王德季，张元光，南海

（1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100094；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100094）

钛合金因具有低密度、高比强度、耐腐蚀、热导率低、无毒无磁、可焊性、生物相容性好、线膨胀系数小等特性，是一种轻质高强度耐腐结构材料，在航空航天领域中具有广泛的应用前景，并已经广泛应用于化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域[1—5]，然而钛合金的制备成本高也是制约其进一步扩大应用的重要障碍，无余量和近无余量铸造成型技术不仅可以实现钛合金短流程制备，还可以最大限度地降低材料的使用，是降低钛合金制备成本的重要途径之一，尤其适合于结构复杂的构件[6—7]。

常规的钛合金铸造方法有熔模精密铸造、机加石墨型铸造和金属型铸造。熔模精密铸造生产的钛合金铸件表面粗糙度好，尺寸精度高，但制备成本高且对一些大型铸件生产难度大。石墨具有较好的热化学稳定性以及较高的耐火度，对熔融钛具有很好的润湿性，有利于轮廓清晰的铸件，但由于石墨型的的强度高、激冷能力强，铸件表面容易出现微裂纹[8—10]，不适合薄壁件和具有复杂内腔的铸件。金属型模具由于可以多次反复利用，生产周期短且铸件表面精度高，为中小型钛合金铸件的批量生产提供了保证，然而金属型使用寿命较低，而且也具有较强的激冷能力，容易在铸件表面产生冷隔、流痕等缺陷[11—12]。上述 3种铸造方法的铸型的制作工序较繁琐、周期较长或成本高，在一定程度上限制了钛合金铸件的推广和广泛应用，研究新的铸型工艺，降低铸件成本是钛铸件今后发展的方向[13]。

从钛合金铸造的生产工艺方法来看，砂型铸造成本低，生产灵活性大，为一些中、大型钛合金构件提供了很好的解决方案[14]。目前国内外钛合金砂型铸造相关的研究资料较少，使用的铸型材料主要是以锆英砂、镁橄榄石等为主，材料成本较高[15]，无法满足规模生产需要。

文中以某大型泵体铸件为研究对象，介绍了钛合金特种砂型铸造工艺过程，并对铸件的质量进行了检测分析，为钛合金特种砂型铸造技术应用提供参考。

1 泵体铸造工艺

1.1 泵体铸件简介

国外某化工用钛合金泵体铸件见图1，铸件轮廓尺寸为 1200 mm×660 mm×390 mm，最小壁厚为 8 mm，质量为115 kg，铸件材质为C3。要求化学成分和力学性能满足ASTM B367中C3的要求，具体指标见表1和表2，铸件内部冶金质量满足ASME 1320中7级标准，铸件表面质量满足ASME B16.34中关于表面质量的要求，粗糙度6.3 μm以下，尺寸等级按GB/T 6414中CT9级要求执行。

图1 泵体铸件轮廓Fig.1 Outline of pump body casting

表1 铸件的标准化学成分（质量分数）Tab.1 Standard chemical composition of casting %

表2 铸件的力学性能标准Tab.2 Standard mechanical properties of casting

1.2 泵体工艺设计

该泵体为大型钛合金民用铸件，对成本和周期要求严格。综合考虑，该钛合金泵体铸件采用特种砂型铸造工艺，静止浇注进行研制。

根据钛合金特种砂型铸造的收缩特点和以往经验，铸件的缩尺在 1.0%～2.0%，拔模斜度≤2°，工艺补正量为单边0.5～2 mm。泵体的浇注系统设计见图2。铸件水平放置进行浇注，共设置4个冒口，中心部位法兰端面设置环形冒口1，泵体支座顶部位置设置冒口2和冒口3，在泵体进口法兰顶部设置冒口4。铸件4个冒口均为明冒口，并开设相应导气槽，增强铸型的排气，泵体表面两个凸台增加出气孔1和出气孔2，避免由于气体局部聚集而产生的缺陷。铸件浇口设置在泵体的中间部位。

图2 砂型工艺设计Fig.2 Process design of sand mold

泵体铸型工艺设计见图3。铸型分为上箱、下箱和砂芯 3个部分，采用芯头芯座定位，芯头长度为30 mm，配合间隙预留单边0.5 mm。

图3 泵体砂型铸型设计Fig.3 Sand mold casting design of pump body

1.3 泵体铸型的制备

在钛合金的熔炼与浇注过程中，由于钛及其合金属于高活性金属，极易与铸造工艺中所采用的常规铸型材料之间发生不同程度的交互反应，使铸件表面会形成气孔、针孔、夹杂、成分超差等缺陷，严重影响表面质量。砂型铸型的造型材料选用耐火度较高的铝矾土混合物，粘结剂为硅溶胶。为了提高铸型表面惰性和抗热冲击性能，选用高惰性耐火面层材料对砂型铸型工作表面进行喷涂处理，涂层材料是采用氧化钇料浆。

根据模具设计图及技术要求，制作泵体模具，模具材质采用铸铝，而不采用易吸潮易变形的木模材料。模具共上模、下模和芯盒3部分。

砂型铸型的成形。采用制作好的模具进行填砂造型，造型过程中保证铸型均匀、紧实，并对铸型进行自然干燥，干燥时间不小于48 h。为了提高铸型的强度，干燥后的铸型需要进行低温焙烧，焙烧温度为450～600 ℃，保温时间4 h，经过低温焙烧后的铸型强度得到大幅度提高。

砂型铸型表面处理。表面涂料过程中应确保铸型和砂芯工作面被涂料完全覆盖，为了涂层的稳定化，需要对铸型和砂芯进行高温焙烧，焙烧温度为1000～1300 ℃，保温时间6 h。高温焙烧后的铸型、砂芯进行组装，待浇注。如不能及时浇注，铸型应在烘箱中保存。砂型铸型实物结构及装配见图4。

图4 砂型铸型Fig.4 Sand mold and casting mold

铸件表面粗糙度要求6.3 μm以下，需要严格控制铸型砂芯的涂料过程，保证铸型和砂芯工作面光洁完整，在高温焙烧后对铸型和砂芯的涂层表面进行检查，必要时进行打磨抛光处理。

1.4 熔炼浇注

熔炼浇注在真空自耗电极凝壳炉中进行，采用经过二次熔炼并取样合格的铸锭。钛合金泵体铸件的熔炼浇注工艺参数见表3。

表3 熔炼浇注工艺参数Tab.3 Parameters of smelting casting

2 泵体的研制结果分析

2.1 铸件表面质量

清理后目视检查泵体铸件充型完整，棱角清晰，表面光洁度较好，基本可以满足粗糙度6.3 μm的要求。泵体铸件经局部打磨和表面处理后进行荧光检测，铸件无裂纹、冷隔等缺陷，满足 ASME B16.34中的要求。

2.2 铸件内部质量

经 X射线检测，法兰部位存在少量缩孔，经热等静压后缩孔完全消除，内部冶金质量满足ASME 1320中7级要求。在X光检测过程中，泵体铸件未发现夹杂缺陷，这说明砂型铸型具有较高的可靠性和抗热冲击性能，可以满足大型钛合金铸件浇注的条件。

2.3 铸件的化学成分

铸件的化学成分检测从浇道取样，本批共检测3组试样，见表4。成分分析表明，采用特种砂型铸型工艺研制的铸件化学成分稳定，满足技术指标要求。

2.4 铸件的力学性能

铸件的力学试样采用随炉试棒进行检测，试棒是采用特种砂型铸型工艺与铸件同炉进行浇注，经热等静压处理，本批共检测6根试样，其结果见表5。测试结果表明，采用特种砂型铸造的工艺研制的钛合金泵体铸件力学性能稳定，满足技术指标要求。

表4 铸件的化学成分（质量分数）Tab.4 Chemical components of casting (mass fraction) %

表5 铸件的力学性能Tab.5 Mechanical properties of casting

2.5 铸件的尺寸精度

经尺寸检验，泵体铸件尺寸较为良好，90%以上尺寸能够满足GB/T6414中CT9级要求，铸件存在尺寸超差情况，但满足客户最终加工使用要求。经分析铸件尺寸的超差的原因主要是铸件缩尺不均匀以及铸型装配过程中存在误差。

3 结论

1) 采用特种砂型铸造工艺，静止浇注可以生产出轮廓尺寸为1200 mm×660 mm×390 mm，壁厚为8 mm的大型钛合金泵体铸件。

2) 特种砂型铸型采用铝矾土混合物为造型材料，以氧化钇料浆为面层涂层材料，该铸型可以用于生产钛合金熔炼浇注，研制出的铸件表面粗糙度可达到 6.3 μm。

3) 研制结果表明，采用特种砂型铸造工艺研制出来的钛合金泵体铸件化学成分、力学性能满足ASTM B367中 C3的要求，铸件内部和表面质量良好，尺寸精度满足使用要求。

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