CN102284678A - 一种精密铸造钛合金的模壳制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密铸造钛合金模壳制备方法，该方法包括制备面层，制备过渡层，制备加固层，脱蜡、烧结四个步骤。本发明的制壳工艺简单，壳型成本低廉，并且可有效的控制钛合金铸件与壳型面层材料的反应，降低合金的进氧量，适用于铸造钛合金铸件。

Description

一种精密铸造钛合金的模壳制备方法

技术领域

本发明涉及铸造成型领域，特别涉及精密铸造钛合金领域。

背景技术

钛是在钢、铁、铜和铝之后迅速崛起的新型工程金属材料，具有强度高、密度小、耐腐蚀、无磁性、生物相容性好等特点，越来越受到人们青睐。初期，主要用于军工领域，现在正逐步向民用领域扩展，且增长迅速。

目前使用较多的钛合金精密铸造用模壳，大致可分为：石墨模壳、钨面层陶瓷模壳、氧化物陶瓷模壳等。其中，石墨模壳所浇注出来的铸件，在表面上有一层渗碳的α脆性层，厚度大约为0.2～0.3mm，它有可能在应力作用下引发裂纹的产生和扩展。石墨模壳的热稳定性有一的限度，当石墨与钛液接触，在达到反应激活能的条件下，有可能发生急剧的放热连锁反应，因此石墨模壳不宜浇注大型复杂钛合金铸件。另外，石墨模壳的收缩率高，是普通精密铸造陶瓷模壳的两倍，这影响了精密铸造石墨模壳钛合金精密铸件的精度。钨面层陶瓷模壳制备时，钨粉作为涂料中的填料使用，钨粉的性能对模壳的品质有重大影响，钨粉要求有极高的强度，否则会影响钛合金铸件的质量。钨面层精密铸造模壳α必须采用溶剂脱蜡，因而对人体健康有伤害，同时也污染环境；另外钨面层模壳在还原性气氛下焙烧，脱蜡石沉积在模壳表面上的模料灰分很难烧掉，在浇注时很容易与液钛反应，在铸件表面形成气孔。氧化物陶瓷模壳的面层和邻层涂料中使用的氧化锆、氧化钇等与钛液反应较小的氧化物，其性能较高；其中的氧化钇作为填料的面层涂料铸造性能较好，但氧化钇容易发生水化作用，其浆料对pH值变化十分敏感，易胶凝。另外，氧化物陶瓷模壳无法避免在铸件表面形成α粘污层，其厚度在0.02～0.2mm范围内不等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种精密铸造钛合金用低成本、稳定性强的模壳制备方法，采用该方法制备钛合金部件满足使用要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种精密铸造钛合金模壳制备方法，其特征在于步骤如下：

1)制备面层：将粒度为200-400目的氮化硼粉与硅溶胶按重量比为2∶1～3∶1配置成流杯粘度为10-25秒的料浆；将上述料浆涂挂在蜡模上，撒砂粒度为40-100目的电熔莫来石砂，干燥，制备面层；

2)制备过渡层：采用200-400目的Y₂O₃粉与硅溶胶按重量比3∶1～4∶1配置成流杯粘度为10-30秒的料浆，涂挂第2层，撒40-80目粒度的电熔莫来石砂，干燥；再采用200-400目的Al₂O₃粉与硅溶胶按重量比3∶1～4∶1配置成流杯粘度为10-30秒的料浆，涂挂第3层；撒40-80目粒度的电熔莫来石砂，干燥；

3)制备加固层：再采用铝矾土与硅溶胶按重量比为3∶1～4∶1配置铝矾土料浆和撒砂粒度为16-24目的煤矸石砂依次涂挂和撒砂4-6层，最后涂挂一次上述制备的铝矾土料浆，干燥；

4)脱蜡，烧结。

所述步骤1)，料浆制备过程中添加润湿剂、消泡剂，其中润湿剂占料浆的重量百分比为1-5‰，消泡剂占料浆的重量百分比1-5‰，在搅拌状态下加入氮化硼粉，之后依次加入润湿剂、消泡剂，搅拌10小时以上，方可涂料；

所述润湿剂为聚氧乙烯烷基苯酚醚、低泡润湿分散剂RFCF-10或辛基酚聚氧乙烯醚；所述消泡剂为异丙醇、硅树脂或正戌醇。

所述步骤1)，蜡模组浸入粘度杯粘度为10-30秒的氮化硼料浆中3-8秒，保证料浆均匀挂在蜡模上，撒砂粒度为40-100目的电熔莫来石砂砂，在温度为30-35℃，湿度30-70％的环境中干燥6小时，形成面层；

所述步骤2)中，涂挂第2层和第3层后在温度为30-35℃，湿度30-60％的环境中干燥8小时，形成过渡层；

所述步骤3)中，第4-6层每层均在温度为30-35℃，湿度30-60％的环境中干燥10小时，形成加固层；最后一层涂挂铝矾土料浆，在温度为30-35℃，湿度30-60％的环境中干燥10小时；

所述的Y₂O₃粉是电熔态；

所述步骤4)，脱蜡后形成的模壳在室温放置4-10小时后再进行烧结，烧结的温度在800-1200℃，保温1-3小时，炉冷至300℃以下即可取出。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用稳定性好的氮化硼作为壳型的面层材料，控制钛合金的进氧量，适合铸造钛合金。氮化硼是一种化学性质非常稳定的耐火物质，氮化硼陶瓷模壳与钛及钛合金反应程度小，形成α粘污层厚度小。氮化硼稳定的化学性质，其在水、酸、碱中都不发生化学反应，所以含有氮化硼的涂料稳定且不凝胶。

2.本发明采用氮化硼做面层、采用Y₂O₃和Al₂O₃做过渡层，采用电熔莫来石做撒砂层，确保面层与背层的结合牢固性。这几种陶瓷的选择和组合使得模壳的各项性能指标都满足使用要求，且成本低廉

3、本发明采用的粘结剂是传统的硅溶胶，该溶胶的SiO₂重量百分比在20-30％，该溶胶性能稳定，可放置半年到几年性能不变，粘度为10-30s，胶粒内部的Si-O-Si键形成立体网络结构，而胶体粒子与水接触界面则形成Si-OH水化膜，将耐火材料颗粒粘结在一起，形成具有一定强度的模壳，成本低廉。

4.本发明采用水蒸气脱蜡、方便无毒。

具体实施方式

实施例一

一种精密铸造钛合金模壳制备方法，其特征在于步骤如下：

1)制备面层：将粒度为200目的氮化硼粉与硅溶胶按重量比为3∶1配置，添加润湿剂、消泡剂，其中润湿剂占料浆的重量百分比为3‰，消泡剂占料浆的重量百分比为3‰，在搅拌状态下加入氮化硼粉，之后依次加入润湿剂、消泡剂，搅拌10小时，配成流杯粘度为16秒的料浆；本实施例中，润湿剂为聚氧乙烯烷基苯酚醚，消泡剂为异丙醇。将蜡模组浸入上述氮化硼料浆中6秒，保证料浆均匀挂在蜡模上，撒砂粒度为80目的电熔莫来石砂，温度为30℃，湿度50％的环境中干燥6小时，形成面层；

2)制备过渡层：采用320目的Y₂O₃粉与硅溶胶按重量比3∶1配置成流杯粘度为18秒的料浆，涂挂第2层，撒80目粒度的电熔莫来石砂，在温度为30℃，湿度50％的环境中干燥8小时；再采用320目的Al₂O₃粉与硅溶胶按重量比3∶1配置成流杯粘度为18秒的料浆，涂挂第3层，撒80目粒度的电熔莫来石砂，在温度为30℃，湿度50％的环境中干燥8小时；形成过渡层；

3)制备加固层：再采用铝矾土与硅溶胶按重量比为3∶1配置铝矾土料浆和撒砂粒度为20目的煤矸石砂依次涂挂和撒砂4-6层，每层都在温度为30℃，湿度50％的环境中干燥10小时，形成加固层；最后一层涂挂铝矾土料浆，在温度为30℃，湿度50％的环境中干燥10小时；

4)采用蒸汽方式脱蜡后，模壳在室温放置8小时后再进行烧结，烧结的温度在1100℃，保温2小时，炉冷至300℃取出，所得模壳浇杯内表面、部件杆部位光洁，强度好。

用上述方法制备的模壳铸造Ti6Al4V合金，熔融金属与模壳稍有反应，合金从模壳中增氧100ppm Wt％；而采用普通的Al₂O₃壳型，合金的进氧量达到了600ppm Wt％。可见，氮化硼壳型面层材料具有优良的化学稳定性。

实施例二

一种精密铸造钛合金模壳制备方法，其特征在于步骤如下：

1)制备面层：将粒度为320目的氮化硼粉与硅溶胶按重量比为2.5∶1配置，添加润湿剂、消泡剂，其中润湿剂占料浆的重量百分比为3‰，消泡剂占料浆的重量百分比为3‰，在搅拌状态下加入氮化硼粉，之后依次加入润湿剂、消泡剂，搅拌10小时，配成流杯粘度为13秒的料浆；本实施例中，润湿剂为聚氧乙烯烷基苯酚醚，消泡剂为异丙醇。将蜡模组浸入上述氮化硼料浆中6秒，保证料浆均匀挂在蜡模上，撒砂粒度为100目的电熔莫来石砂，温度为35℃，湿度40％的环境中干燥6小时，形成面层；

2)制备过渡层：采用320目的Y₂O₃粉与硅溶胶按重量比3.5∶1配置成流杯粘度为20秒的料浆，涂挂第2层，撒80目粒度的电熔莫来石砂，在温度为35℃，湿度40％的环境中干燥8小时；再采用320目的Al₂O₃粉与硅溶胶按重量比3.5∶1配置成流杯粘度为20秒的料浆，涂挂第3层，撒80目粒度的电熔莫来石砂，在温度为35℃，湿度40％的环境中干燥8小时；形成过渡层；

3)制备加固层：再采用铝矾土与硅溶胶按重量比为3.5∶1配置铝矾土料浆和撒砂粒度为24目的煤矸石砂依次涂挂和撒砂4-6层，每层都在温度为35℃，湿度40％的环境中干燥10小时，形成加固层；最后一层涂挂铝矾土料浆，在温度为35℃，湿度40％的环境中干燥10小时；

4)采用蒸汽方式脱蜡后，模壳在室温放置10小时后再进行烧结，烧结的温度在1200℃，保温1小时，炉冷至300℃取出，所得模壳浇杯内表面、部件杆部位光洁，强度好。

用实施例一和二制备的模壳铸造Ti6Al4V合金，熔融金属与模壳稍有反应，合金从模壳中增氧100-120ppm Wt％；而采用普通的Al₂O₃壳型，合金的进氧量达到了600ppm Wt％。可见，本发明的模壳的性能比现有技术优异得多。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种精密铸造钛合金模壳制备方法，其特征在于步骤如下：

1)制备面层：将粒度为200-400目的氮化硼粉与硅溶胶按重量比为2∶1～3∶1配置成流杯粘度为10-25秒的料浆；将上述料浆涂挂在蜡模上，撒砂粒度为40-100目的电熔莫来石砂，干燥，制备面层；

2)制备过渡层：采用200-400目的Y₂O₃粉与硅溶胶按重量比3∶1～4∶1配置成流杯粘度为10-30秒的料浆，涂挂第2层，撒40-80目粒度的电熔莫来石砂，干燥；再采用200-400目的Al₂O₃粉与硅溶胶按重量比3∶1～4∶1配置成流杯粘度为10-30秒的料浆，涂挂第3层；撒40-80目粒度的电熔莫来石砂，干燥；

3)制备加固层：再采用铝矾土与硅溶胶按重量比为3∶1～4∶1配置铝矾土料浆和撒砂粒度为16-24目的煤矸石砂依次涂挂和撒砂4-6层，最后涂挂一次上述制备的铝矾土料浆，干燥；

4)脱蜡，烧结。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤1)，料浆制备过程中添加润湿剂、消泡剂，其中润湿剂占料浆的重量百分比为1-5‰，消泡剂占料浆的重量百分比1-5‰，在搅拌状态下加入氮化硼粉，之后依次加入润湿剂、消泡剂，搅拌10小时以上，方可涂料；所述润湿剂为聚氧乙烯烷基苯酚醚、低泡润湿分散剂RFCF-10或辛基酚聚氧乙烯醚；所述消泡剂为异丙醇、硅树脂或正戌醇。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤1)，蜡模组浸入粘度杯粘度为10-30秒的氮化硼料浆中3-8秒，保证料浆均匀挂在蜡模上，撒砂粒度为40-100目的电熔莫来石砂砂，在温度为30-35℃，湿度30-70％的环境中干燥6小时，形成面层。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤2)中，涂挂第2层和第3层后在温度为30-35℃，湿度30-60％的环境中干燥8小时，形成过渡层。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤3)中，第4-6层每层均在温度为30-35℃，湿度30-60％的环境中干燥10小时，形成加固层；最后一层涂挂铝矾土料浆，在温度为30-35℃，湿度30-60％的环境中干燥10小时。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述步骤4)，脱蜡后形成的模壳在室温放置4-10小时后再进行烧结，烧结的温度在800-1200℃，保温1-3小时，炉冷至300℃以下即可取出。