Как отливают рабочие колеса и направляющие колеса из титановых сплавов?

Рабочие и направляющие колеса из титановых сплавов отливают в вакууме с защитой процессов плавки и заполнения формы, поскольку жидкий титан легко реагирует с газами и многими формовочными материалами. Для рабочего колеса применяют графитовую оболочку для литья по выплавляемым моделям и центробежную заливку; для направляющего колеса — обработанную графитовую форму и вакуумное центробежное заполнение. Рассматриваются литейные титановые сплавы Ti-6Al-4V и Ti-5Al-2.5Sn; типичный состав и свойства Ti-6Al-4V приведены ниже.

Состав и свойства литого титанового сплава Ti-6Al-4V

Примечание: Кроме того, в составе сплава обычно присутствуют небольшие количества углерода (C), кислорода (O), азота (N) и водорода (H), а остальную часть составляет титан.

Литье титановых сплавов представляет собой сложный процесс. Температура плавления, как правило, превышает 1700 °C, а титан обладает высокой химической активностью. При температуре выше 500 °C он вступает в реакцию со многими материалами, а расплавленный титан может реагировать практически со всеми огнеупорными материалами, а также с кислородом, водородом и азотом. Кроме того, он отличается низкой текучестью. Поэтому материалы форм, технология плавки и процесс заливки формы требуют особого контроля. Формовочные материалы должны обладать высокой огнеупорностью и термической стабильностью и не вступать в реакцию с расплавом. В настоящее время в качестве форм используются утрамбованные графитовые формы, оболочки для литья по выплавляемым моделям, керамические формы и формы из цирконового песка.

В связи с этой реакционной способностью плавка слитков с расходным электродом и литье титана должны осуществляться в вакууме или под защитой инертного газа в тигле с принудительным охлаждением. В производстве обычно используется вакуумная печь для плавки в тигле.

Титановое рабочее колесо, отлитое по выплавляемым моделям в графитовой оболочке

В данном рабочем колесе используется оболочка, изготовленная методом литья в выпаливаемую форму. В составе оболочки в качестве связующего вещества используется фенольная смола, а в качестве огнеупорного наполнителя и штукатурки — графитовый порошок и песок различного размера частиц. Прочность оболочки составляет 5,7–6,8 МПа. Формы для рабочих колпачков и роторов вентиляторов имеют наружные габариты 350 мм × 350 мм × 350 мм. Форма устанавливается в центре поворотного стола вертикальной центробежной литьевой машины, после чего вакуумная камера закрывается для создания вакуума и плавления.

После плавки печь с черепной формой автоматически наклоняется для разливки. Скорость вращения формы во время разливки составляет 200–400 об/мин. Полученные отливки могут иметь минимальную толщину стенок 1,5–2 мм и шероховатость поверхности Ra 3,2–6,3 мкм.

Направляющее колесо из титана, отлитое в графитовой форме

Направляющее колесо имеет максимальный диаметр 363,5 мм и 18 равномерно распределенных лопастей. Толщина стенки на конце лопасти составляет 4 мм, допуск по толщине лопасти — менее 0,2 мм, а погрешность дуги лопасти — менее 0,15 мм. Поверхности лопастей должны иметь шероховатость Ra 6,3 мкм, а обработанные поверхности направляющего колеса имеют припуск на обработку 2–3 мм.

Все лопатки формируются с помощью одной кольцевой сердцевины, что позволяет контролировать их размеры и положение. Сердцевина лопатки, верхняя и нижняя контурные сердцевины, а также секция заливной чашки собираются внутри внешней формы. Готовые графитовые формы и сердечники часто содержат влагу и требуют высокотемпературной обработки. Поместите форму в вакуумную печь, создайте в ней вакуум, медленно нагрейте до 950 °C, выдержите в течение примерно 4 ч и охладите вместе с печью. Залейте обработанную форму как можно скорее, чтобы ограничить повторное поглощение газа.

Разливка осуществляется в вакуумной печи с расходным электродом в виде черепа с центробежным заполнением под вакуумом. Исходя из среднего радиуса, следует использовать коэффициент самотечения G, равный 15, и скорость вращения формы 350 об/мин. После разливки отливку охлаждают под вакуумом.