Hoe worden waaiers en geleidingswielen van titaniumlegeringen gegoten?

Waaiers en geleidewielen van titaniumlegeringen worden onder vacuüm gegoten met beschermd smelten en vormvullen, omdat gesmolten titanium gemakkelijk reageert met gassen en veel vormmaterialen. Voor de waaier worden een grafietschaal voor precisiegieten en centrifugaalgieten gebruikt; voor het geleidewiel een behandelde grafietmal en vacuüm-centrifugaalvulling. Tot de besproken gietlegeringen behoren Ti-6Al-4V en Ti-5Al-2.5Sn; de representatieve samenstelling en eigenschappen van Ti-6Al-4V staan hieronder.

Samenstelling en eigenschappen van de gegoten titaniumlegering Ti-6Al-4V

Opmerking: De legering bevat doorgaans ook kleine hoeveelheden C, O, N en H, terwijl de rest uit titanium bestaat.

Het gieten van titaniumlegeringen is moeilijk. De smelttemperaturen liggen doorgaans boven de 1700 °C en titanium is zeer reactief. Boven 500 °C reageert het met veel materialen, terwijl gesmolten titanium kan reageren met vrijwel alle vuurvaste materialen en met zuurstof, waterstof en stikstof. Ook is de vloeibaarheid ervan slecht. Vormmaterialen, de smeltprocedure en het vullen van de vorm vereisen daarom speciale maatregelen. Vormmaterialen moeten een hoge vuurvastheid en thermische stabiliteit hebben en mogen niet reageren met de smelt. Huidige vormsystemen omvatten aangestampte grafietvormen, schalen voor precisiegieten, keramische vormen en zirkoniumzandvormen.

Vanwege deze reactiviteit moeten het smelten van ingots met verbruikselektroden en het gieten van titanium plaatsvinden onder vacuüm of onder bescherming van een inert gas in een geforceerd gekoelde smeltkroes. Bij de productie wordt doorgaans gebruikgemaakt van een vacuümoven voor het smelten van ingots.

Titanium waaier via precisiegieten met grafietschaal

Deze waaier maakt gebruik van een investeringsschaal. Het schalsysteem maakt gebruik van fenolhars als bindmiddel en grafietpoeder en zand met verschillende deeltjesgroottes als vuurvaste vulstof en pleister. De sterkte van de schaal bedraagt 5,7-6,8 MPa. De gietvormen voor waaiers en ventilatorrotoren hebben een buitenafmeting van 350 mm × 350 mm × 350 mm. De gietvorm wordt in het midden van de draaitafel in een verticale centrifugaalgietmachine geplaatst, waarna de vacuümkamer wordt gesloten voor het vacuümtrekken en het smelten.

Na het smelten kantelt de schedeloven automatisch om het metaal te gieten. De vormsnelheid tijdens het gieten bedraagt 200-400 omw/min. De verkregen gietstukken kunnen een minimale wanddikte van 1,5-2 mm en een oppervlakteruwheid van Ra 3,2-6,3 μm hebben.

Titanium geleidewiel gegoten in grafietmal

Het geleidingswiel heeft een maximale diameter van 363,5 mm en 18 gelijkmatig verdeelde bladen. De wand aan de punt van de schoep is 4 mm dik, de tolerantie op de schoepdikte is minder dan 0,2 mm en de afwijking in de boog van de schoep is minder dan 0,15 mm. De oppervlakken van de schoepen moeten een ruwheid van Ra 6,3 μm hebben, terwijl de bewerkte oppervlakken van het geleidingswiel een bewerkingsspeling van 2-3 mm hebben.

Eén enkele ringvormige kern vormt alle bladen, wat helpt bij het regelen van de afmetingen en de positie van de bladen. De bladkern, de bovenste en onderste contourkernen en het gietbekergedeelte worden in een buitenmal gemonteerd. Afgewerkte grafietmallen en -kernen bevatten vaak vocht en moeten bij hoge temperatuur worden behandeld. Plaats de mal in een vacuümoven, zuig deze leeg, verwarm langzaam tot 950 °C, houd deze temperatuur ongeveer 4 uur aan en laat de mal samen met de oven afkoelen. Giet de behandelde mal zo snel mogelijk om hernieuwde gasopname te beperken.

Het gieten vindt plaats in een vacuümoven met een verbruikselektrode in de vorm van een schedel, waarbij onder vacuüm centrifugaal wordt gevuld. Gebruik, op basis van de gemiddelde straal, een zwaartekrachtfactor G van 15 en een vormsnelheid van 350 omw/min. Laat het gietstuk na het gieten onder vacuüm afkoelen.