CN102151787A - 600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料及其制备方法 - Google Patents

600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料及其制备方法 Download PDF

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陈玉勇
赵而团
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Abstract

600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料及其制备方法，它涉及钛合金型壳的面层涂料及其制备方法。本发明解决了现有的用普通熔模铸造工艺制备的型壳在浇注高温钛合金时铸态组织粗大的技术问题。本发明的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料由耐火粉料、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和细化剂制成，其中耐火粉料为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合。将细化剂与耐火粉混合后，与粘结剂一起再加入搅拌机中混合，最后加入润湿剂、消泡剂和分散剂混合即可。本发明型壳面层涂料能细化表层组织，可用于钛合金铸造领域。

Description

600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金型壳的面层涂料及其制备方法。
背景技术
高温钛合金由于比强度高、耐腐蚀、耐热等良好的综合性能和结构效益高而被广泛用于航空领域，多用于制造航空发动机中要求强度高与耐热性好的重要零部件和飞机机体结构件。由于高温钛合金具有较高的使用温度、高温强度、较好的抗氧化性能、抗蠕变性能、抗疲劳性能等，在飞机发动机和火箭推进***所用的新一代高温结构材料中以明显的优势而备受航空航天界材料工作者们的重视，已成为新一代高温结构材料的研究方向和发展趋势之一。目前，国内外研究的600℃高温钛合金大都是变形高温钛合金，多为Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系，并在此基础上进行多元素的添加(如稀土)，成份更加多元化，这类合金一般是以铸锭、锻坯、板材的形式应用。采用熔模铸造工艺具有近净成形的特点，工艺简单，材料利用率高、生产成本低，尤其适于批量生产及形状复杂的合金零件。采用普通熔模铸造工艺制备的型壳浇注高温钛合金，浇注后由于冷却缓慢，铸件倾向于形成粗大的晶粒组织，影响铸件的力学性能，特别是对高、低周疲劳和伸长率有较大影响，为改善钛合金粗大的铸造组织，一般采用添加晶粒细化剂进行变质处理或者特种热处理的方法。但对高合金化的铸造高温钛合金来说，高的合金化抑制了变质剂的作用，变质处理很难取得效果，而采用特种热处理会大大增加成本和生产周期。作为具有航天航空应用背景的600℃高温钛合金，铸态组织的细化，特别是表层铸态组织的细化对其使用性能的提高更具有实际应用意义。
发明内容
本发明是要解决现有的用普通熔模铸造工艺制备的型壳在浇注高温钛合金时铸态组织粗大的技术问题，而提供600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料及其制备方法。
本发明的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料由耐火粉、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和粒径为1μm～20μm的细化剂制成，其中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.6～4，润湿剂的质量为粘结剂质量的0.05％～0.5％，消泡剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.6％，分散剂的质量为粘结剂质量的0.5％～3％，细化剂的质量为耐火粉质量的1％～20％，耐火粉为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合。
本发明的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的制备方法按以下步骤进行：一、称取耐火粉、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和粒径为1μm～20μm的细化剂，其中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.6～4，润湿剂的质量为粘结剂质量的0.05％～0.5％，消泡剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.6％，分散剂的质量为粘结剂质量的0.5％～3％，细化剂的质量为耐火粉质量的1％～20％，耐火粉为为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合；二、将步骤一称取的细化剂与耐火粉加入到混合机中混合3h～5h，得到混合粉体；三、将步骤二制备的混合粉体和步骤一称取的粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌3h～8h，然后再将步骤一称取的润湿剂、消泡剂、分散剂加入涂料搅拌机中，继续12h～48h，得到600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料。
本发明600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料采用碳粉，硼粉、碳化硼粉料或其中几种的组合做为细化剂，面层涂料流杯粘度为20s～40s(4#詹氏杯)，在熔模铸造时，利用细化剂与钛合金熔体间的反应，在晶界析出TiB或者TiC，从而达到细化晶粒的效果。利用该面层涂料制备的型壳，在浇注高温钛合金后，能细化铸态组织，特别是表层组织，提高了合金的强度及抗疲劳性能。
本发明的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料可用于钛合金铸造领域，可以铸造以下几种钛合金：
Ti-1100(Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)、
IMI834(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5M-0.135Si)、
BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)和
Ti60(Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.135Si-0.85Nd)。
附图说明
图1是具体实施方式三十三中用普通型壳铸造的Ti-1100高温钛合金的铸态显微组织照片；图2具体实施方式三十三中是用具体实施方式三十三制备的600℃高温钛合金熔模铸造型壳铸造的Ti-1100高温钛合金的铸态显微组织照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料由耐火粉、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和粒径为1μm～20μm的细化剂制成，其中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.6～4，润湿剂的质量为粘结剂质量的0.05％～0.5％，消泡剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.6％，分散剂的质量为粘结剂质量的0.5％～3％，细化剂的质量为耐火粉质量的1％～20％，耐火粉为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合。
本实施方式600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料采用碳粉，硼粉、碳化硼粉料中的一种或其中几种的组合做为细化剂，面层涂料流杯粘度为20s～40s(4#詹氏杯)，在熔模铸造时，利用细化剂与钛合金熔体间的反应，在晶界析出TiB或者TiC，从而达到细化晶粒的效果。利用该面层涂料制备的型壳，在浇注高温钛合金后，能细化铸态组织，特别是表层组织，提高了合金的强度、抗氧化性及抗疲劳性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：细化剂的粒径为3μm～17μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：细化剂的粒径为10μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.8～3.5。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：粘结剂与耐火粉的质量比为1∶2.5。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：润湿剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.4％。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：润湿剂的质量为粘结剂质量的0.2％。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：消泡剂的质量为粘结剂质量的0.2％～0.5％。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：消泡剂的质量为粘结剂质量的0.3％。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：分散剂的质量为粘结剂质量的0.8％～2.8％。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：分散剂的质量为粘结剂质量的2.0％。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：细化剂的质量为耐火粉质量的3％～18％。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
本实施方式中细化剂为组合物时，各种细化剂按任意比组合。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：细化剂的质量为耐火粉质量的10％。其它与具体实施方式一至十一之一相同。
本实施方式中细化剂为组合物时，各种细化剂按任意比组合。
具体实施方式十四：本实施方式的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的制备方法按以下步骤进行：一、称取耐火粉、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和粒径为1μm～20μm的细化剂，其中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.6～4，润湿剂的质量为粘结剂质量的0.05％～0.5％，消泡剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.6％，分散剂的质量为粘结剂质量的0.5％～3％，细化剂的质量为耐火粉质量的1％～20％，耐火粉为为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合；二、将步骤一称取的细化剂与耐火粉加入到混合机中混合3h～5h，得到混合粉体；三、将步骤二制备的混合粉体和步骤一称取的粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌3h～8h，然后再将步骤一称取的润湿剂、消泡剂、分散剂加入涂料搅拌机中，继续搅拌12h～48h，得到600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料。
本实施方式中的L型涂料搅拌机是市售商品。
本实施方式的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料采用碳粉，硼粉、B4C粉料中的一种或其中几种的组合做为细化剂，面层涂料流杯粘度为20s～40s(4#詹氏杯)，在熔模铸造时，利用细化剂与钛合金熔体间的反应，在晶界析出TiB或者TiC，从而达到细化晶粒的效果。利用该面层涂料制备的型壳，在浇注高温钛合金后，能细化铸态组织，特别是表层组织，提高了合金的强度、抗氧化性及抗疲劳性能。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十四不同的是：步骤一中细化剂的粒径为3μm～17μm。其它与具体实施方式十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十四不同的是：步骤一中细化剂的粒径为10μm。其它与具体实施方式十四相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十四至十六之一不同的是：步骤一中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.8～3.5。其它与具体实施方式十四至十六之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十四至十六之一不同的是：步骤一中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶2.5。其它与具体实施方式十四至十六之一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十四至十八之一不同的是：步骤一中润湿剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.4％。其它与具体实施方式十四至十八之一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十四至十八之一不同的是：步骤一中润湿剂的质量为粘结剂质量的0.2％。其它与具体实施方式十四至十八之一相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式十四至二十之一不同的是：步骤一中消泡剂的质量为粘结剂质量的0.2％～0.5％。其它与具体实施方式十四至二十之一相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式十四至二十之一不同的是：步骤一中消泡剂的质量为粘结剂质量的0.3％。其它与具体实施方式十四至二十之一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式十四至二十二之一不同的是：步骤一中分散剂的质量为粘结剂质量的0.8％～2.8％。其它与具体实施方式十四至二十二之一相同。
具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式十四至二十二之一不同的是：步骤一中分散剂的质量为粘结剂质量的2.0％。其它与具体实施方式十四至二十二之一相同。
具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式十四至二十四之一不同的是：细化剂的质量为耐火粉质量的3％～18％。其它与具体实施方式十四至二十四之一相同。
具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式十四至二十四之一不同的是：步骤一中细化剂的质量为耐火粉质量的10％。其它与具体实施方式十四至二十四之一相同。
具体实施方式二十七：本实施方式与具体实施方式十四至二十六之一不同的是：步骤二中将细化剂与耐火粉加入到混合机中混合3.5h～4.5h。其它与具体实施方式十四至二十六之一相同。
具体实施方式二十八：本实施方式与具体实施方式十四至二十六之一不同的是：步骤二中将细化剂与耐火粉加入到混合机中混合4.0h。其它与具体实施方式十四至二十六之一相同。
具体实施方式二十九：本实施方式与具体实施方式十四至二十八之一不同的是：步骤三中将混合粉体和粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌时间为4h～7h。其它与具体实施方式十四至二十八之一相同。
具体实施方式三十：本实施方式与具体实施方式十四至二十八之一不同的是：步骤三中将混合粉体和粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌时间为5h。其它与具体实施方式十四至二十八之一相同。
具体实施方式三十一：本实施方式与具体实施方式十四至二十八之一不同的是：步骤三中将润湿剂、消泡剂、分散剂加入涂料搅拌机中，继续搅拌13h～45h。其它与具体实施方式十四至二十八之一相同。
具体实施方式三十二：本实施方式与具体实施方式十四至二十八之一不同的是：步骤三中将润湿剂、消泡剂、分散剂加入涂料搅拌机中，继续搅拌20h。其它与具体实施方式十四至二十八之一相同。
具体实施方式三十三：本实施方式的一种熔模铸造600℃高温钛合金型壳的面层涂料的制备方法按以下步骤进行：一、称取325目1500g氧化钇粉、500g二醋酸锆粘结剂、1.5g的润湿剂JFC、1.5g的正辛醇消泡剂、5g的三乙醇胺分散剂和150g粒径为5μm的B4C粉；二、将步骤一称取的B4C粉与氧化钇粉加入到混合机中混合3h，得到混合粉体；三、将步骤二制备的混合粉体和步骤一称取的二醋酸锆粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌5h，然后再将步骤一称取的润湿剂JFC、正辛醇和三乙醇胺加入搅拌机中，继续搅拌36小时，得到600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料。
本实施方式中润湿剂JFC是市售商品。本实施方式制备的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的流杯粘度为35s(4#詹氏杯)。
用本实施方式制备的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料制备熔模铸造型壳的方法按以下步骤进行：一、将蜡模浸入本实施方式制备的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料中，直至涂挂好的蜡模表面浆料均匀，提出蜡模，然后采用雨淋式的加砂方式撒120目氧化锆，然后在温度为24℃、相对湿度为60％的条件下干燥9小时，得到制备好面层的型壳；二、以200目的莫来石粉为耐火粉料，以硅溶胶为粘结剂，采用耐火粉料与硅溶胶的质量比为1.8∶1制备过渡层涂料，然后将步骤一制备好面层的型壳浸入到过渡层涂料中沾浆，涂挂均匀后，撒60目莫来石砂，然后在温度为24℃、相对湿度为50％的条件下干燥12小时，得到制备好过渡层的型壳；三、以200目的莫来石粉为耐火粉料，以硅溶胶为粘结剂，采用耐水粉料与硅溶胶的质量比为1.5∶1制备背层浆料，然后将步骤二制备好过渡层的型壳浸入到背层浆料中沾浆，接着撒20目莫来石砂，然后在温度为24℃、相对湿度为50％的条件下干燥15小时；然后再相同的操作条件重复挂浆、撒砂和干燥，重复三次，得到制备好背层的型壳；四、以200目的莫来石粉为耐火粉料，以硅溶胶为粘结剂，采用耐火粉料与硅溶胶的质量比为1.3∶1制备封浆层涂料，然后将步骤三制备好背层的型壳浸入到过渡层涂料中挂浆，涂挂均匀后提出，得到制备好封浆层的型壳；五、将封浆后的型壳，干燥24小时，然后放入蒸汽脱蜡釜中，在蒸汽压力为0.8MPa的条件下脱蜡，得到脱蜡后的型壳；六、将脱蜡后的型壳放在真空烧结炉中，在真度为0.095MPa、温度为1000℃的条件下焙烧2小时，得到600℃高温钛合金熔模铸造型壳。
用普通型壳和本实施方式制备的600℃高温钛合金熔模铸造型壳在相同的条件下，用离心铸钛机中浇注Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si钛合金(即Ti-1100高温钛合金)，用普通型壳铸造的Ti-1100高温钛合金的铸态显微组织照片如图1所示，用本实施方式制备的600℃高温钛合金熔模铸造型壳铸造的Ti-1100高温钛合金的铸态显微组织照片如图2，从图1可以看出，用普通型壳浇注的合金的晶粒尺寸为500μm左右。表面的晶粒与内部一致，没有细化层的存在。从图2可以看出，而用600℃高温钛合金熔模铸造型壳浇注得到的合金的平均晶粒尺寸为300μm左右，并且在合金的表面(图2的左侧)存在着一个厚度为150μm左右的细化层，晶粒粒径约为50μm。
从图1和图2的比较可以看出，用本实施方式制备的面层涂料的型壳得到的合金，铸态组织得到细化，特别是表层组织，采用该方法制备的型壳表面存在着一个明显的晶粒细化层，可以提高合金的强度及抗疲劳性能。

Claims (10)

1.600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料，其特征在于600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料由耐火粉、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和粒径为1μm～20μm的细化剂制成，其中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.6～4，润湿剂的质量为粘结剂质量的0.05％～0.5％，消泡剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.6％，分散剂的质量为粘结剂质量的0.5％～3％，细化剂的质量为耐火粉质量的1％～20％，耐火粉为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合。
2.根据权利要求1所述的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料，其特征在于细化剂的粒径为3μm～17μm。
3.根据权利要求1或2所述的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料，其特征在于粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.8～3.5。
4.根据权利要求1或2所述的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料，其特征在于润湿剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.4％。
5.根据权利要求1或2所述的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料，其特征在于分散剂的质量为粘结剂质量的0.8％～2.8％。
6.根据权利要求1或2所述的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料，其特征在于细化剂的质量为耐火粉质量的3％～18％。
7.制备权利要求1所述的600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的方法，其特征在于制备600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的方法按以下步骤进行：一、称取耐火粉、粘结剂、润湿剂、消泡剂、分散剂和粒径为1μm～20μm的细化剂，其中粘结剂与耐火粉的质量比为1∶1.6～4，润湿剂的质量为粘结剂质量的0.05％～0.5％，消泡剂的质量为粘结剂质量的0.1％～0.6％，分散剂的质量为粘结剂质量的0.5％～3％，细化剂的质量为耐火粉质量的1％～20％，耐火粉为为氧化铝、氧化锆、氧化钇或氧化钙，粘结剂为二醋酸锆、碳酸锆铵、硅溶胶或钇溶胶，细化剂为碳粉，硼粉和碳化硼粉中的一种或几种的组合；二、将步骤一称取的细化剂与耐火粉加入到混合机中混合3h～5h，得到混合粉体；三、将步骤二制备的混合粉体和步骤一称取的粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌3h～8h，然后再将步骤一称取的润湿剂、消泡剂、分散剂加入涂料搅拌机中，继续12h～48h，得到600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料。
8.根据权利要求7所述的制备600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的方法，其特征在于步骤二中将细化剂与耐火粉加入到混合机中混合3.5h～4.5h。
9.根据权利要求7或8所述的制备600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的方法，其特征在于步骤三中将混合粉体和粘结剂加入L型涂料搅拌机中搅拌时间为4h～7h。
10.根据权利要求7或8所述的制备600℃高温钛合金熔模铸造型壳面层涂料的方法，其特征在于步骤三中将润湿剂、消泡剂、分散剂加入涂料搅拌机中，继续搅拌13h～45h。
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