티타늄 합금 임펠러와 가이드 휠은 어떻게 주조되나요?

티타늄 합금 임펠러와 가이드 휠은 용융 티타늄이 가스와 많은 주형 재료와 쉽게 반응하기 때문에, 용융 및 주형 충진 과정에서 보호 조치를 취한 상태에서 진공 주조됩니다. 임펠러의 경우 인베스트먼트 흑연 쉘과 원심 주조 방식을 사용하며, 가이드 휠은 처리된 흑연 주형과 진공 원심 충진 방식을 사용합니다. Ti-6Al-4V 주조 티타늄 합금과 Ti-5Al-2.5Sn 주조 티타늄 합금은 여기서 다루는 주조 재료 중 일부이며, 대표적인 Ti-6Al-4V의 조성 및 특성은 다음과 같습니다.

Ti-6Al-4V 주조 티타늄 합금의 조성 및 특성

참고: 이 합금에는 일반적으로 소량의 C, O, N, H가 포함되어 있으며, 나머지는 티타늄으로 구성됩니다.

티타늄 합금의 주조는 어렵습니다. 용융 온도는 일반적으로 1700°C 이상이며, 티타늄은 반응성이 매우 높습니다. 500°C 이상에서는 많은 물질과 반응하며, 용융된 티타늄은 거의 모든 내화 물질은 물론 산소, 수소, 질소와도 반응할 수 있습니다. 또한 유동성도 좋지 않습니다. 따라서 주형 재료, 용해 공정 및 주형 충진 과정에는 특별한 관리가 필요합니다. 주형 재료는 높은 내화성과 열적 안정성을 갖추어야 하며, 용융물과 반응해서는 안 됩니다. 현재 사용되는 주형 시스템으로는 다짐 흑연 주형, 인베스트먼트 주조 쉘, 세라믹 주형, 지르콘 모래 주형 등이 있습니다.

이러한 반응성 때문에, 소모성 전극을 이용한 잉곳 용해 및 티타늄 주조는 강제 냉각 도가니 내에서 진공 상태 또는 불활성 가스 보호 하에서 이루어져야 합니다. 생산 과정에서는 일반적으로 진공 스컬 용해로를 사용합니다.

흑연 쉘 정밀주조 티타늄 임펠러

이 임펠러는 인베스트먼트 쉘을 사용합니다. 이 쉘 시스템은 페놀 수지를 결합제로 사용하고, 다양한 입자 크기의 흑연 분말과 모래를 내화성 충전재 및 스투코로 사용합니다. 쉘의 강도는 5.7~6.8 MPa에 달합니다. 임펠러 및 팬 로터용 금형의 외형 치수는 350 mm × 350 mm × 350 mm입니다. 금형은 수직 원심 주조기의 턴테이블 중앙에 배치되며, 진공 챔버를 밀폐한 후 진공 배출 및 용융 공정을 진행합니다.

용융이 완료되면 스컬 용광로가 자동으로 기울어져 주조가 이루어집니다. 주조 시 금형의 회전 속도는 분당 200~400회입니다. 이렇게 생산된 주조품은 최소 벽 두께 1.5~2 mm, 표면 거칠기 Ra 3.2~6.3 μm를 가질 수 있습니다.

흑연 주형으로 주조한 티타늄 가이드 휠

가이드 휠의 최대 직경은 363.5 mm이며, 18개의 블레이드가 균일하게 분포되어 있습니다. 블레이드 끝단 벽 두께는 4 mm이며, 블레이드 두께 공차는 0.2 mm 미만, 블레이드 호 오차는 0.15 mm 미만입니다. 블레이드 표면은 Ra 6.3 μm를 충족해야 하며, 가공된 가이드 휠 표면에는 2~3 mm의 가공 여유가 있습니다.

단일 환형 코어가 모든 블레이드를 형성하여 블레이드의 치수와 위치를 제어하는 데 도움을 줍니다. 블레이드 코어, 상부 및 하부 윤곽 코어, 주입컵 부분은 외부 금형 내부에 조립됩니다. 완성된 흑연 금형과 코어에는 종종 수분이 포함되어 있으므로 고온 처리가 필요합니다. 금형을 진공로 안에 넣고, 진공을 만든 후 950°C까지 서서히 가열하여 약 4시간 동안 유지한 다음, 로와 함께 냉각시킵니다. 가스 재흡수를 최소화하기 위해 처리된 금형은 가능한 한 빨리 주조해야 합니다.

주조는 진공 상태에서 원심 주입 방식을 적용한 일회용 전극 두개골 용광로에서 수행됩니다. 평균 반지름을 기준으로 중력 계수 G를 15로, 주형 회전 속도를 350 r/min으로 설정하십시오. 주조 후에는 진공 상태에서 주물을 냉각시키십시오.