CN101104195A

CN101104195A - 铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法

Info

Publication number: CN101104195A
Application number: CNA2007100726013A
Authority: CN
Inventors: 陈玉勇; 田竞; 卢玉红; 孔凡涛; 王惠光; 刘志光; 肖树龙; 徐丽娟; 陈艳飞; 周浩
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: CN100528403C

Abstract

铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，涉及到熔模精密铸造领域。它解决了现有铸造钛及钛铝基合金型壳的残余强度大、易造成薄壁钛及钛铝基合金铸件在凝固收缩过程中产生裂纹的问题。它的方法为一、蜡模压制；二、涂挂四层面层，每一层的制作过程为涂挂面层涂料、撒氧化锆土砂、室温干燥，然后涂挂下一层；三、涂挂两层过渡层，与涂挂面层的区别在于每一层涂挂含有高聚物及水乳胶的背层涂料、撒50目～70目的铝矾土砂；四、涂挂四至八层加固层，与涂挂过渡层的区别在于撒30目～40目的铝矾土砂；五、涂挂一层外层涂料，室温干燥；六、高压蒸汽脱蜡；七、焙烧型壳。本发明可以广泛地应用到国防、民用钛及钛铝基合金铸件型壳的制造中。

Description

铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法

技术领域

本发明涉及到熔模精密铸造领域，具体涉及到铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法。

背景技术

钛及钛铝基合金具有低密度、较高的杨氏模量和高温强度、良好的抗蠕变及抗氧化性等优点，在航空航天工业、汽车工业中的轻质耐高温结构部件中具有很好的应用前景。但阻碍钛及钛铝基合金大规模应用的瓶颈在于其室温塑性和难加工性。熔模精密铸造作为一种可生产形状复杂、近净形结构件的技术，适于批量制造、无加工余量及难于机加工的复杂构件。目前，钛及钛铝基合金熔模精密铸造主要采用氧化物陶瓷型壳钛及钛铝基合金熔模精密铸造技术，已为国防、民用领域制造出多种薄壁、复杂的钛及钛铝基合金精铸件产品。然而，钛铝基合金作为一种金属间化合物，其凝固特性不同于一般的合金，钛铝基合金精铸过程中，由于铸件自身结构特点使得铸件在线收缩时，受到来自型壳的阻力，形成受阻收缩。受阻收缩是铸件产生变形、热裂、内应力和冷裂等缺陷的主要原因。对于钛铝基合金来说，在钛中加入铝会使其收缩率增加，易于在凝固过程中产生大的缩孔和集中缩松，如果铸件在浇铸后其收缩受阻，受到型壳的阻力大于其所能承受的应力极限，那么就会导致铸件中裂纹的产生，最终导致在缩松和缩孔处断裂。硅溶胶型壳透气性及溃散性差，残余强度大，常常造成薄壁的钛铝基合金铸件在凝固收缩过程中产生裂纹而报废。

发明内容

为了解决现有的铸造钛及钛铝基合金型壳的残余强度大、易造成薄壁的钛及钛铝基合金铸件在凝固收缩过程中产生裂纹的问题，本发明提供了一种铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法。

铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，具体步骤为：

步骤一：蜡模压制，将蜡料在温度50～60℃的条件下压制成薄片形蜡模，然后用蜡模清洗剂清洗、晾干。

步骤二：型壳面层涂挂：在蜡模的外表面涂挂四层型壳面层，每一层型壳面层的制作过程为：涂挂、撒砂、干燥，其中所述涂挂是将蜡模浸入流杯粘度为80～100s的面层涂料中3～5秒后取出，当蜡模上的涂料流动均匀而不再连续下滴时，进行撒砂；所述撒砂使用的是粒度在100目～150目之间的氧化锆土砂；所述干燥是将撒砂后的蜡模在湿度为60％～65％的室温下干燥8～24小时，保证充分干燥和硬化，然后再进行下一层的涂挂；

步骤三：型壳过渡层的涂挂：在涂挂完面层的蜡模的外表面涂挂两层过渡层，每一层的涂挂过程与步骤二所述的过程相同，不同之处有：在涂挂过程使用的是流杯粘度为60～90s的背层涂料；撒砂使用的粒度为50目～70目的铝矾土砂，干燥的时间为8～32小时；

步骤四：型壳加固层的涂挂：在涂挂完过渡层的蜡模外表面涂挂4～8层的加固层，每一层的涂挂过程与步骤三所述的过程相同，不同之处在于撒砂使用的是粒度为30目～40目的铝矾土砂；

步骤五：型壳外层的涂挂：在涂挂完加固层的蜡模外表面再涂挂一层外层涂料，将涂挂完加固层的蜡模浸入流杯粘度为10～20s的外层涂料中3～5秒后取出，然后在湿度为60％～65％的室温下干燥24～32小时；

步骤六：型壳的脱蜡：采用高压蒸汽脱蜡工艺，蒸汽压力为4～10kg/cm²，脱蜡时间为5～20分钟；

步骤七：型壳焙烧：将脱蜡之后的型壳放入箱式电阻炉中，随炉升温至200℃保温1个小时，然后升温至400℃下保温1个小时，然后升温至1150℃下保温2个小时，最后，随炉冷却。

应用本发明的方法制作的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳，透气性好、降低了型壳的残余强度、改善了型壳的溃散性，提高了钛及钛铝基合金熔模精密铸造的质量，本发明尤其适用于制造厚度小于1mm的钛及钛铝基合金的多孔陶瓷型壳。

本发明可以广泛地应用到国防、民用钛及钛铝基合金铸件型壳的制造中。

附图说明：

图1是使用本发明的方法制作的工字形多孔陶瓷型壳；图2是使用图1所示的工字形多孔陶瓷型壳铸造的钛及钛铝基合金工字形铸件。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法为：

步骤二：型壳面层涂挂：在蜡模的外表面涂挂四层型壳面层，每一层型壳面层的制作过程为：涂挂、撒砂、干燥，其中所述涂挂是将蜡模浸入流杯粘度为80～100s的面层涂料中3～5秒后取出，当蜡模上的涂料流动均匀而不再连续下滴时，进行撒砂，撒砂要均匀、全面；所述撒砂使用的是粒度在100目～150目之间的氧化锆土砂，撒砂要均匀、全面；所述干燥是将撒砂后的蜡模在湿度为60％～65％的室温下干燥8～24小时，保证充分干燥和硬化，然后再进行下一层的涂挂；

步骤三：型壳过渡层的涂挂：在涂挂完面层的蜡模的外表面涂挂两层过渡层，每一层的涂挂过程与步骤二所述的过程相同，不同之处有：在涂挂过程使用的是流杯粘度为60s～90s的背层涂料；撒砂使用的粒度为50目～70目的铝矾土砂，干燥的时间为8～32小时，所述背层涂料中含有高聚物及水乳胶；

步骤五：型壳外层的涂挂：在涂挂完加固层的蜡模外表面再涂挂一层外层，将涂挂完加固层的蜡模浸入流杯粘度为10～20秒的外层涂料中3～5秒后取出，然后在湿度为60％～65％的室温下干燥24～32小时；

在步骤一中所述的蜡料应该满足以下条件：凝固点为60/℃～62/℃，线收缩为0.4/％～0.6/％，针入度为11/1/10mm，赵氏硬度为19，抗拉强度为2.91/MPa，粘结剂润湿角为79/°～82/°，密度为0.95/g/mm³～1/g/mm³，灰分为0.05/％。

在步骤二中的撒砂可以采用机器撒砂也可以采用手工撒砂。

在步骤三中所述的高聚物及水乳胶是高聚物与水乳胶以1∶1的质量比混合在一起的混合物。

在步骤七中，将脱蜡之后的型壳放在200℃下保温1小时，能够充分去除型壳中的低熔点挥发物，如水分、残余蜡料等。

本方法中所述的室温的温度是在22℃～24℃之间。

所述涂料的粘度是采用涂-4粘度计进行测量的。

本实施方式中的背层涂料中含有高聚物及水乳胶，粘结后的高聚物及水乳胶在高温下能够被烧失，使型壳的过渡层和加固层在焙烧时形成均匀细小的孔洞，从而降低了型壳的残余强度，达到改善型壳退让性、减少铸件裂纹的目的。

经测试，使用加有高聚物及水乳胶的背层涂料制作的型壳，其型壳残余强度为5.06MPa，使用没有添加高聚物及水乳胶的背层涂料制作的型壳，其型壳残余强度为6.47Mpa，型壳残余强度明显降低。

采用本方法制作的型壳铸造钛及钛铝基合金部件，采用德国Linn V-3，3-TITAN高频离心铸钛机进行离心浇铸，在离心转速为300～500rpm，型壳预热温度200～400℃的条件下，浇铸出的Ti及TiAl基合金试样没有裂纹。图1是采用本实施方式的工艺制作的“工”字形型壳，图2是采用图1的型壳制作的TiAl基合金“工”字形铸件。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤二中所述的面层涂料由氧化锆(ZrO₂)粉末、锆溶胶、消泡剂正辛醇和润湿剂JFC组成，其中氧化锆(ZrO₂)粉末和锆溶胶的粉液比为3.8g/1ml，所述氧化锆粉末的粒度为150目～325目，消泡剂正辛醇占锆溶胶的质量百分比为0.3wt％～0.06wt％，润湿剂JFC占锆溶胶的质量百分比为0.2wt％～0.4wt％。

所述面层涂料的制备方法为：将浓度为24％的锆溶胶加入搅拌筒中进行搅拌，在搅拌的同时加入消泡剂正辛醇和润湿剂JFC，搅拌至胶状后，将搅拌完的胶状物转移到L型搅拌桶中进行搅拌，搅拌的同时逐渐加入氧化锆(ZrO₂)粉末，连续搅拌45分钟以上，以除尽涂料中的气体，然后在湿度为60％～65％的室温下静置6～10小时。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述氧化锆(ZrO₂)粉末的粒度为150目～250目。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述氧化锆(ZrO₂)粉末的粒度250目～300目。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述氧化锆(ZrO₂)粉末的粒度300目～325目。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤三中所述的背层涂料是由硅溶胶、铝钒土粉、高聚物及水乳胶、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇组成，其中铝矾土粉的粒度为250目～400目，所述铝矾土粉与硅溶胶的粉液比为2g/ml～3.5g/ml，高聚物及水乳胶占硅溶胶的质量百分比为0.01wt％～0.04wt％，润湿剂JFC占硅溶胶的质量百分比为2wt％～6wt％，消泡剂正辛醇占硅溶胶的质量百分比为0.02wt％～0.05wt％。

所述背层涂料的制备方法为：

步骤三一：将浓度为1 5％～35％硅溶胶加入搅拌筒中进行搅拌，同时缓慢加入高聚物及水乳胶，确保硅溶胶的胶团被搅碎，搅拌成胶状；

步骤三二：将步骤三一搅拌完成的胶状物放入到L型搅拌桶中进行搅拌，同时逐渐加入消泡剂正辛醇、润湿剂JFC和铝矾土粉，然后搅拌3小时以上：

步骤三三：在湿度为60％～65％的室温下静置6～10小时，确保耐火粉料铝矾土的表面完全润湿和气体全部逸出。

在步骤三一中可以采用80r/min～90r/min的速度进行搅拌。

在步骤三二中可以采用35r/min～40r/min的速度进行搅拌。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述高聚物及水乳胶占硅溶胶的质量百分比为0.01wt％～0.02wt％。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述高聚物及水乳胶占硅溶胶的质量百分比为0.02wt％～0.03wt％。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述高聚物及水乳胶占硅溶胶的质量百分比为0.03wt％～0.04wt％。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述湿润剂(JFC)占硅溶胶的质量百分比为0.2wt％～0.3wt％。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述湿润剂(JFC)占硅溶胶的质量百分比为0.3wt％～0.4wt％。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述湿润剂(JFC)占硅溶胶的质量百分比为0.4wt％～0.6wt％。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述消泡剂正辛醇占硅溶胶的质量百分比为0.02wt％～0.04wt％。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式六所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，所述消泡剂正辛醇占硅溶胶的质量百分比为0.04wt％～0.05wt％。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤一中，撒砂使用的是粒度在100目～115目的氧化锆土砂。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤一中，撒砂使用的是粒度在115目～135目的氧化锆土砂。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤一中，干燥时间为8～16小时。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤三中，撒砂使用的是粒度为60目的铝矾土砂。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤三中，干燥的时间为8～16小时。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤三中，干燥的时间为16～24小时。

具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤三中，干燥的时间为24～32小时。

具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤四的型壳加固层的涂挂中，涂挂4或5或6或7或8层的加固层。

具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤四中，撒砂使用的是粒度为30目的铝矾土砂。

具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤五的型壳外层的涂挂中，干燥时间为24小时～28小时。

具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤六的型壳脱蜡中，所述蒸汽压力为4kg/cm²～7kg/cm²。

具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式一所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法的区别在于，在步骤六的型壳脱蜡中，所述蒸汽压力为7～10kg/cm²。

Claims

1.铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于它的方法为：

步骤三：型壳过渡层的涂挂：在涂挂完面层蜡模的外表面涂挂两层过渡层，每一层的涂挂过程与步骤二所述的过程相同，不同之处有：在涂挂过程使用的是流杯粘度为60s～90s的背层涂料；撒砂使用的粒度为50目～70目的铝矾土砂，干燥的时间为8～32小时，所述背层涂料中含有高聚物及水乳胶；

2.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于在步骤一中所述的蜡料应该满足以下条件：凝固点为60/℃～62/℃，线收缩为0.4/％～0.6/％，针入度为11/1/10mm，赵氏硬度为19，抗拉强度为2.91/MPa，粘结剂润湿角为79/°～82/°，密度为0.95/g/mm³～1/g/mm³，灰分为0.05/％。

3.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤二中所述的面层涂料由氧化锆(ZrO2)粉末、锆溶胶、消泡剂正辛醇和润湿剂JFC组成，其中氧化锆(ZrO2)粉末和锆溶胶的比例为3.8g/1ml，所述氧化锆粉末的粒度为150目～325目，消泡剂正辛醇的质量百分比为0.03wt％～0.06wt％，润湿剂JFC的质量百分比为0.02wt％～0.04wt％。

4.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤三中所述的背层涂料是由硅溶胶、铝钒土粉、高聚物及水乳胶、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇组成，其中铝矾土粉的粒度为250目～400目，所述铝矾土粉与硅溶胶的粉液比为2g/ml～3.5g/ml，高聚物及水乳胶的质量百分比为0.01wt％～0.04wt％，润湿剂JFC的质量百分比为0.02wt％～0.06wt％，消泡剂正辛醇的质量百分比为0.02wt％～0.05wt％。

5.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤一中，撒砂使用的是粒度在100目～115目的氧化锆土砂。

6.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤一中，撒砂使用的是粒度在115目～135目的氧化锆土砂。

7.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤一中，撒砂使用的是粒度在135目～150目的氧化锆土砂。

8.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤四的型壳加固层的涂挂中，涂挂4或5或6或7或8层的加固层。

9.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤六的型壳脱蜡中，所述蒸汽压力为4kg/cm²～7kg/cm²。

10.根据权利要求1所述的铸造钛及钛铝基合金多孔陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，在步骤六的型壳脱蜡中，所述蒸汽压力为7～10kg/cm²。