CN101927321B - 一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法 - Google Patents

一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法，属于熔模精密铸造领域。工艺过程为：制备背层料浆，背层第一层涂料，背层第二层涂料，添加耐温碳纤维绳：在第二层背层涂料干燥20～24小时后采用规格为12K～24K/股、单丝直径6μm的耐温碳纤维绳将模组进行缠绕，耐温碳纤维绳的缠绕间距为1～3mm，背层第三层及后续背层的型壳涂料，直至涂料到第六层或第七层为止，所有背层涂料完成后进行模组的脱蜡、焙烧，制备出陶瓷型壳。优点在于，陶瓷型壳透气性、强度达到预期水平；应用该型壳进行的反重力铸造实验表明，有70％的TiAl合金增压器涡轮充型完整。

Description

一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法
技术领域
本发明属于熔模精密铸造技术领域，特别是提供了一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法。
背景技术
钛铝合金是一种轻质的新型高温材料(3.9g/cm3)，用于车用发动机增压器涡轮铸件可因部件减重而改善发动机的加速性能、提高燃烧效率。但是，钛铝合金的低密度特点不利于铸造成形，且其凝固区间较窄，熔体流动性差，因而需用采用特殊的铸造方法成形。日本大同制钢株式会社采用反重力铸造法研制出了车用钛铝合金增压器涡轮，现已成功进入商业应用(Toshimitsu Tetsui.Mater Sci Eng[J]，2002，A329～331，582)。
反重力铸造是20世纪中期发展起来的一种铸造浇注成形工艺，它是使坩埚中的金属熔体在熔体液面和型腔内压差的作用下沿升液管自下而上克服重力及其他阻力充填铸型，并在压力下获得铸件的一种铸造工艺方法。
目前，提高型壳强度的方法主要是增加陶瓷型壳的致密度或厚度。如文献(周丽红，等.提高熔模铸造型壳强度的途径[J].特种铸造及有色合金，1999(3)：12-15)通过耐火粉料的粒度分散分布和背层溶剂的模数优化形成涂料完整包覆砂粒的致密结构，增加型壳致密度从而提高了型壳强度。但是，提高陶瓷型壳致密度或厚度，则又导致透气性降低。本研究采用常规方法制备的陶瓷型壳进行反重力铸造实验时，钛铝合金增压器涡轮的充型难以完整，有10％的钛铝l合金增压器涡轮充型完整，但型壳却未发生过开裂，即型壳的强度足以满足反重力铸造要求。经测试，该型壳在1000℃时的抗弯强度为4.11MPa。
因而，有必要开发一种新的陶瓷型壳制备技术，在增加型壳透气性(1000℃不低于0.045cm3/g.min)的同时，提高其抗弯强度(1000℃不低于4.11MPa)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法，实现了在增加型壳透气性(1000℃不低于0.045cm3/g.min)的同时，提高其抗弯强度(1000℃不低于4.11MPa)。
针对反重力铸造钛铝合金增压器涡轮对陶瓷型壳透气性和强度的双重要求，本发明在制备精铸用陶瓷型壳的背层工艺过程如下：
(1)制备背层料浆：在恒温恒湿(温度22±4℃，相对湿度55～75％)条件下，按硅溶胶、煤矸石粉、食用糊精按重量比例为1∶(1.2～1.3)∶(0.01～0.05)的配比称取背层原材料；
将硅溶胶倒入背层涂料桶中，转动涂料桶，然后将煤矸石粉加入到背层涂料桶(与上面的煤背层涂料桶是同一物品吗？如果是，请统一用语)中。用铲子搅动料浆，将团状物搅散，随后加入食用糊精并搅拌均匀，制成背层料浆，随后将背层料浆机械搅拌1～2小时后待用。
(2)背层第一层涂料：将模组浸入到背层料浆中进行沾浆，让模组与料浆充分润湿后取出，手持模组不断转动，控掉模组上多余料浆，随后撒30～60目煤矸石砂，将模组放置在干燥架上干燥20～24小时。
(3)背层第二层涂料：操作过程与第一层背层涂料过程完全一致。
(4)添加耐温碳纤维绳：在第二层背层涂料干燥20～24小时后采用规格为12K～24K/股、单丝直径6μm的耐温碳纤维绳将模组进行缠绕，耐温碳纤维绳的缠绕间距为1～3mm，以此来提高型壳强度。
(5)背层第三层及后续背层的型壳涂料：将缠绕耐温碳纤维绳的模组进行后续的背层涂料，涂料沾浆与控料操作过程与第一层一致，但随后撒16～30目的煤矸石砂，之后模组放置20～24小时进行干燥。后续背层涂料过程与第三层完全一致，直至涂料到第六层或第七层为止。
(6)所有背层涂料完成后进行模组的脱蜡、焙烧，制备出陶瓷型壳。
本技术将型壳涂料层数减少到6～7层，原来陶瓷型壳常规涂料层数为8层，这样的型壳制备技术能够满足反重力铸造钛铝合金增压器涡轮对陶瓷型壳的透气性和型壳强度的双重要求。
本发明已进行的反重力铸造实验研究表明，可以通过压差有效控制钛铝合金熔体的充型速度，实现叶尖厚度最小0.5mm的增压器涡轮成形。同时发现，制备精铸用陶瓷型壳的过程中，需要在制壳料浆中添加适量食用糊精并将常规型壳的涂料次数减少1～2层，才能使陶瓷铸型壳的透气性达到反重力铸造的要求。有文献报道(周波，等.无余量薄壁叶片的精密铸造[J].特种铸造及有色合金，1999(4)：17-19)，通过在涂料中添加高分子聚合物粉料和乳胶，然后在焙烧过程烧失，使型壳形成孔洞，从而提高精铸用陶瓷型壳的透气性。通过在硅溶胶粘结剂中添加有机纤维丝，焙烧过程中纤维完全烧尽，在型壳中形成许多空洞，也可明显提高陶瓷型壳透气性(陈冰.聚合物和纤维增强硅溶胶—国外精铸技术进展述评(4)[J].特种铸造及有色合金，2005(4)：231-233)。这些提高型壳透气性方法的共同途径是提高陶瓷型壳的孔隙度，从而增加壳腔内气流的导出通道。但问题是，增加陶瓷型壳的孔隙度必然导致其强度降低。经测量，本研究添加食用糊精并减少涂料层数制备的陶瓷型壳在1000℃时的透气性达到了0.045cm3/g.min，而其抗弯强度仅为2.82MPa。
本研究经TiAl合金增压器涡轮的反重力铸造实验表明，这样制备的陶瓷型壳强度难以承受反重力铸造熔体充型过程中型壳内外的压差，经常发生型壳开裂并导致漏钢。因而，添加食用糊精并减少涂料层数制备的陶瓷型壳满足了反重力铸造钛铝合金增压器涡轮所需的透气性，而强度达不到要求。
附图说明
图1为HP55涡轮反重力铸造型壳。
图2为反重力铸造HP55钛铝合金涡轮。
具体实施方式
本发明的具体实施方式是：
在恒温恒湿间(温度22℃，相对湿度60％)内按表1给出的背层浆料配比量取所需的硅溶胶，倒入背层涂料桶中，转动背层涂料桶，然后将煤矸石粉加入到背层涂料桶中。用铲子搅动料浆，将团状物搅散，随后加入料浆重量3％的食用糊精并搅拌均匀，之后机械搅拌1小时用作背层涂料。将模组浸入料浆中，让模组与料浆充分润湿后取出，手持模组不断转动，控掉模组上多余料浆，随后撒煤矸石砂。背层1、2层采用30～60目细砂，每层涂料后进行24小时的干燥。在背层涂料第二层后采用规格为12K～24K/股、单丝直径6μm的耐温碳纤维绳将模组进行缠绕，缠绕间距为2mm，以此来提高型壳强度。将缠绕耐温碳纤维绳的模组进行后续的背层涂料，涂料沾浆操作过程与第一层一致，但撒16～30目的煤矸石砂，之后模组放置进行24小时干燥。随后的背层涂料过程与第三层完全一致，每一层涂料之间干燥时间24小时，直至涂料至第七层为止。随后进行模组的脱蜡和焙烧工艺过程，最后制备出陶瓷型壳。
表1 背层料浆配比
Figure BSA00000257672300031
采用以上工艺过程制备的型壳试样，按HB5352.4《熔模铸造型壳透气性测定方法》和HB5352.1《熔模铸造型壳抗弯强度测定方法》进行测试，型壳在1000℃时透气性的测试结果为0.065cm3/g.min，抗弯强度为4.5MPa。
采用以上工艺过程制备了10件HP55增压器涡轮型壳用于反重力铸造，在试验过程中未见型壳开裂，有70％的钛铝合金增压器涡轮充型完整。焙烧后的型壳见图1，反重力铸造的钛铝合金涡轮见图2。

Claims (2)

1.一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法，其特征在于，工艺过程如下：
(1)制备背层料浆：在恒温恒湿条件下，按硅溶胶、煤矸石粉、食用糊精重量比例为1∶(1.2～1.3)∶(0.01～0.05)的配比称取背层原材料；
将硅溶胶倒入背层涂料桶中，转动涂料桶，然后将煤矸石粉加入到背层涂料桶中；用铲子搅动料浆，将团状物搅散，随后加入食用糊精并搅拌均匀，制成背层料浆，随后将背层料浆机械搅拌1～2小时后待用；
(2)背层第一层涂料：将模组浸入到背层料浆中进行沾浆，让模组与料浆充分润湿后取出，手持模组不断转动，控掉模组上多余背层料浆，随后撒30～60目煤矸石砂，将模组放置在干燥架上干燥20～24小时；
(3)背层第二层涂料：操作过程与第一层涂料过程完全一致；
(4)添加耐温碳纤维绳：在背层第二层涂料干燥20～24小时后采用规格为12K～24K/股、单丝直径6μm的耐温碳纤维绳将模组进行缠绕，耐温碳纤维绳的缠绕间距为1～3mm，以此来提高型壳强度；
(5)背层第三层及后续背层的型壳涂料：将缠绕耐温碳纤维绳的模组进行后续的背层涂料，涂料沾浆与控料操作过程与第一层一致，但随后撒16～30目的煤矸石砂，之后模组放置20～24小时进行干燥；后续背层涂料过程与第三层完全一致，直至涂料到第六层或第七层为止；
(6)所有背层涂料完成后进行模组的脱蜡、焙烧，制备出陶瓷型壳。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的恒温恒湿是指恒温的温度为18～26℃，恒湿的相对湿度为55～75％。
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