SLS成型技術(shù)在鈦合金熔模鑄造中的應(yīng)用

（洛陽(yáng)鵬起實(shí)業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471023）

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、生物相容性好等優(yōu)異性能，在航空、航天、船舶、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。熔模精密鑄造是鈦合金零件的先進(jìn)制造技術(shù)，具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、加工量少或無(wú)加工余量，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[4-5]。熔模鑄造是用可熔型一次模和一次型（芯）使鑄件成型的鑄造方法，傳統(tǒng)熔模鑄造工藝，必須先制作熔模壓型模具，用壓型壓制熔模，然后進(jìn)行組模、型殼制備等工序，由于必須制作壓型模具，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，不適合新產(chǎn)品的研制及單件生產(chǎn)。采用SLS 快速原型制造技術(shù)可直接制造熔模原型，省去了壓型模具制作的時(shí)間和成本，非常適合新產(chǎn)品研制及單件生產(chǎn)。

SLS 技術(shù)作為快速原型制造技術(shù)的一種方法，在鋪粉平面上鋪展一層燒結(jié)粉末，預(yù)熱裝置將其加熱到原型材料的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)以下的溫度，激光器按照零件的分層信息進(jìn)行有選擇的燒結(jié)，逐層疊加，直到整個(gè)零件燒結(jié)完成，去除多余的粉末后，即得到所需產(chǎn)品的原型熔模。SLS 技術(shù)采用的成形材料主要是低熔點(diǎn)物質(zhì)，可以是熔模鑄造用蠟粉、PS粉等，用這些材料快速燒結(jié)的熔模，可直接或者經(jīng)過(guò)表面處理后進(jìn)行熔模鑄造，SLS 技術(shù)在熔模鑄造領(lǐng)域應(yīng)用前景非?？捎^[6]。但是，國(guó)內(nèi)關(guān)于快速燒結(jié)技術(shù)在鈦合金熔模鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用研究偏少，本文以鈦合金葉輪為研究對(duì)象，開(kāi)展了SLS 成型技術(shù)在鈦合金熔模精密鑄造中的應(yīng)用研究。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及難點(diǎn)分析

本文以某葉輪為研究對(duì)象，圖1 為鈦合金葉輪三維視圖。該鑄件外廓尺寸為φ400 mm×100 mm，質(zhì)量為9 kg，葉片數(shù)量長(zhǎng)短共18 片，厚度4 mm；，軸徑為50 mm.鈦合金葉輪鑄件內(nèi)部質(zhì)量需滿足GJB2896A-2007 中Ⅱ類B 級(jí)要求。

圖1 葉輪三維示意圖

本研究要制備的鑄件為閉式葉輪，由18 個(gè)葉片與前、后蓋板組成，前、后蓋板之間存在30 mm 型腔。該鑄件為試制件，常規(guī)的葉輪熔模制作方式為制作金屬模具壓制蠟型。該方式的缺點(diǎn)：①模具制作成本高且周期長(zhǎng)；②蠟型壁薄，在制備熔模過(guò)程中，易產(chǎn)生變形、破裂現(xiàn)象，造成尺寸精度下降，最終影響葉輪綜合質(zhì)量及效率。本研究采用SLS 激光粉末燒結(jié)成型原型代替蠟型，通過(guò)熔模涂料、脫蠟、焙燒等手段制備熔模型殼，采用真空自耗電弧熔煉澆注成形，從而獲得滿足技術(shù)要求的合格鑄件。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)

本研究重點(diǎn)討論葉輪模組的制作工藝、制殼工藝及熔煉澆注。

2.1 葉輪模組的制作工藝

2.1.1 SLS 激光燒結(jié)原型

建立葉輪的三維模型，對(duì)葉輪整體模型的各個(gè)部位按一定的尺寸比例進(jìn)行預(yù)縮放處理。模擬、優(yōu)化、調(diào)節(jié)參數(shù)后，首先對(duì)模型進(jìn)行分層處理；然后在工作臺(tái)上均勻鋪上一層PS 粉末進(jìn)行激光燒結(jié)，一層燒結(jié)完成后再鋪粉、掃面、燒結(jié)，直至全部燒結(jié)完成；完成后得到帶未燒結(jié)粉末的葉輪模型，對(duì)葉輪模型進(jìn)行清粉處理。該SLS 成型模形狀、結(jié)構(gòu)完整，尺寸精度高，變形小，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 浸蠟處理

為了改善SLS 成型模原樣的表面粗糙度，將清粉處理完成后的葉輪模型原樣在自制的浸蠟機(jī)構(gòu)中進(jìn)行滲蠟處理，蠟溫設(shè)定在58 ℃～63 ℃，模型勻速下降至全部浸入蠟池中浸泡，待原型件表面無(wú)氣泡冒出，勻速將原型件提出蠟池。等浸蠟處理的葉輪模型表面蠟料凝固后進(jìn)行表面修整，去除表面多余蠟。SLS 成型模原樣表面的燒結(jié)痕跡、微小棱角及清理模型時(shí)造成的表面凹坑等缺陷得到彌補(bǔ)，表面粗糙度也得到保證。圖2 為葉輪熔模實(shí)物圖。

2.1.3 組焊模組

將用中溫蠟壓制的澆道盤與PS 粉燒結(jié)的原型組焊到一起形成所需要的模組。

2.2 葉輪型殼制備工藝

圖2 葉輪3D 打印實(shí)物圖

2.2.1 型殼涂料

由于鈦合金在高溫下化學(xué)性質(zhì)及其活潑，可與大多數(shù)材料發(fā)生反應(yīng)。本葉輪型殼制造面層采用氧化釔耐火材料和二醋酸鋯粘結(jié)劑，涂掛兩層面層后，轉(zhuǎn)入背層涂掛。背層材料采用莫來(lái)石耐火材料和硅溶膠粘接劑。制備工藝流程如圖3 所示。

圖3 型殼制備流程

2.2.2 型殼脫蠟、焙燒

常規(guī)熔模鑄造型殼采用高壓蒸汽脫蠟，但SLS成型模用PS 粉為高分子化合物，熔化溫度高，熔料粘度大不利于脫蠟，極易殘留在型殼中，最終造成鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷。SLS 成型模不能采用高壓蒸汽脫蠟法，本試驗(yàn)中型殼采用高溫焙燒汽化脫蠟。脫蠟工藝如下：型殼采用臺(tái)式電阻爐進(jìn)行脫蠟，焙燒爐升溫至200 ℃～300 ℃，將型殼緩慢放入焙燒爐內(nèi)脫蠟架上，使大部分蠟流出。而后升溫至600 ℃～750 ℃，保溫2 h～3 h，燒失殘余部分PS 粉原型。脫蠟后繼續(xù)升溫至1 000 ℃～1 100 ℃，保溫3 h～4 h，進(jìn)行型殼的高溫焙燒。葉輪型殼焙燒后，觀察發(fā)現(xiàn)，型殼面層表面光潔，無(wú)剝落情況，型殼質(zhì)量良好。

2.3 熔煉澆注

熔煉澆注是在150 kg 真空自耗電極凝殼爐中進(jìn)行，澆注選用經(jīng)過(guò)兩次熔煉的ZTC4 鑄錠。型殼按照要求進(jìn)行組型和緊固，裝爐后進(jìn)行抽真空，當(dāng)爐內(nèi)真空度小于4 Pa 時(shí)開(kāi)始熔煉，鑄件澆注完成后隨爐冷卻2 h 后出爐。圖4 為澆注清殼后的鑄件。

3 結(jié)果與討論

通過(guò)本研究確定的工藝方案及工藝參數(shù)，成功研制出合格的葉輪鑄件。

圖4 清殼后鑄件實(shí)物圖

3.1 表面及內(nèi)部質(zhì)量

鑄型清理和澆注系統(tǒng)切割后，目視觀察，鑄件表面光潔，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)粘砂現(xiàn)象，鑄件進(jìn)行熒光滲透檢測(cè)，鑄件表面無(wú)裂紋、冷隔等鑄造缺陷。經(jīng)X射線檢查鑄件內(nèi)部沒(méi)有夾渣、裂紋缺陷。表明采用SLS 成型技術(shù)燒結(jié)制備的熔模表面涂掛性好，型殼的質(zhì)量高，型殼采用高溫氣化法脫蠟，PS 粉末材料能夠完全去除，沒(méi)有殘留；氧化釔制備的型殼強(qiáng)度符合要求；氧化釔面層惰性符合要求，幾乎不與鈦液發(fā)生反應(yīng)。

3.2 化學(xué)成分

采用FOUNDRY-MASTER Xpert 全譜直讀光譜儀和G8 GALILEO ONH 氧氮?dú)浞治鰞x進(jìn)行葉輪鑄件的化學(xué)成分分析，鑄件的化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表1 所示。

表1 鑄件的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

上述結(jié)果表明，葉輪鑄件的化學(xué)成份符合GJB2896A-2007 標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果證明，SLS 快速成型模熔模鑄造工藝能夠保證鈦合金鑄件的化學(xué)成份。

4 結(jié)論

1）SLS 激光燒結(jié)熔模與中溫蠟組成的模組型殼直接在大氣中進(jìn)行脫蠟、焙燒。有效解決了型殼脫蠟過(guò)程中，SLS 激光燒結(jié)熔模因受熱膨脹而導(dǎo)致型殼開(kāi)裂造成鑄件缺陷的技術(shù)難題。

2）通過(guò)SLS 激光燒結(jié)熔模和熔模精密鑄造結(jié)合的工藝，不僅能較好的解決了單件小批量、高尺寸精度的鈦合金精密鑄件的鑄造難題，而且在較大程度上提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

3）采用快速成型模熔模鑄造工藝，成功完成ZTC4 鈦合金葉輪鑄件的試制，鑄件表面無(wú)裂紋、冷隔、化學(xué)粘砂缺陷，鑄件內(nèi)部無(wú)裂紋、夾渣缺陷，鑄件的化學(xué)成分合格，鑄件質(zhì)量滿足GJB2896A-2007的要求。