CN102294436A - 一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，它涉及钛合金及钛铝合金的精密铸造方法。本发明解决了现有的采用电熔氧化铝、硅溶胶降低钛合金及钛铝合金熔模精密铸造成本的方法的铸件表面及内部质量差的技术问题。方法：用锆溶胶、硅溶胶、润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶制备面层粘结剂，再添加碳酸钙、氧化铝、二氧化钛和氧化锆制成面层涂料，制成型壳面层后，再用钛合金精密铸造通用方法制备型壳背层，再经脱蜡、烧结后得到型壳，用此型壳浇铸钛合金或钛铝合金，得到钛合金或钛铝合金铸件。本发明比单纯采用锆基粘结剂加氧化锆耐火材料的精密铸造方法的原材料成本降低30％～70％，可用于普通航空航天民用钛合金及钛铝合金铸件。

Description

一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法

技术领域

本发明涉及钛合金及钛铝合金的精密铸造方法。

背景技术

钛作为一种稀有金属，具有比重小、强度高、耐高温、耐腐蚀，是优质的耐蚀轻型结构材料、新型的功能材料和重要的生物工程材料，主要用于航空航天工业、化学工业和能源工业等部门。如钛合金，因其具有低密度、高强度、耐高温、耐低温、无磁性等优异的性能，钛合金是很多国民经济行业的首选金属。但是由于高昂的价格，一直以来钛合金都只能应用于航空航天、航海、兵器等行业，在普通民用行业的应用一直受到很大的限制。而钛铝基合金具有低的比重，高的比强度和比模量，在高温时，这种合金依然可维持较高的强度和刚度，并且有良好的抗蠕变、抗氧化的能力，被认为是最具潜力的新一代高温结构材料。然而高昂的加工成本是制约钛合金及钛铝合金在民用行业大规模推广应用的主要原因。因此降低钛合金及钛铝合金的加工成本，尤其是铸造成本是当务之急。目前钛及钛合金的铸造的主要方法是采用氧化物陶瓷型壳的熔模精密铸造法，其中最常采用的耐火材料为电熔氧化钇和电熔氧化锆，常用的粘结剂一般选用钇溶胶、锆溶胶、二醋酸锆以及锆的有机化合物。利用上述材料制作的钛及钛合金精密铸造型壳可以浇铸出较高质量的薄壁、复杂钛合金铸件。但是随着近两年锆矿石和稀土价格的飞速上涨，氧化钇(Y₂O₃)和氧化锆(ZrO₂)的价格飞速上涨，已经严重影响到钛合金铸件的生产，特别是附加值较低的民用普通钛合金铸件的生产过程，因此，急需开发低成本的钛及钛合金精密铸造技术。

钛合金精密铸造型壳的原材料成本主要来自于耐火材料粉体和粘结剂，因此降低钛合金精密铸造型壳的成本主要从降低耐火材料成本和粘结剂成本两方面入手。专利200410043627.1提出采用低成本的电熔氧化铝(Al₂O₃)完全代替昂贵的电熔氧化钇和氧化锆，而采用低成本的硅溶胶代替昂贵的钇溶胶、锆溶胶、二醋酸锆以及锆的有机化合物。采用这种技术确实可以大幅降低钛合金精密铸造的成本，并且在实验室范围内也取得了成功。但是在实际的生产中发现，钛合金金属液与氧化铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)的反应还是很剧烈的，生产出的钛合金铸件表面质量很差，特别是当铸件的尺寸较大时，在铸件表面经常出现较大的表面气孔，铸件的质量控制难度大，更重要的是钛合金金属液与氧化铝和二氧化硅发生反应放出的气体造成钛合金铸件中气体含量较高，经常出现气孔这种内部缺陷，生产高品质的钛合金铸件的难度是非常大的。

发明内容

本发明要解决现有的采用电熔氧化铝、硅溶胶降低钛合金及钛铝合金熔模精密铸造成本的方法的铸件表面及内部质量差的技术问题，而提供一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法。

本发明的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法按以下步骤进行：一、配制粘结剂：按质量百分比分别称取18.77％～99.63％的锆溶胶、0～80％的硅溶胶、0.2％～0.4％的润湿剂JFC、0.02％～0.1％的正辛醇、0.1％～0.3％的聚乙烯醇和0.05％～0.43％的乳胶，先把锆溶胶和硅溶胶加入到容器中混合均匀，然后在搅拌条件下，依次加入润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶，再搅拌10min～30min，得到粘结剂；二、配制面层涂料：按质量百分比称取5％～70％的碳酸钙粉末、5％～20％的氧化铝粉末、2％～5％的二氧化钛粉末和5％～88％的氧化锆粉末并混合均匀，得到耐火粉料，然后按耐火粉料与步骤一得到的粘结剂的质量比为2～4∶1的比例，将耐火粉料加入到步骤一得到的粘结剂中，搅拌4h～24h，得到面层涂料；三、制备型壳面层：将清洗后的蜡模浸入步骤二得到的面层涂料中均匀挂膜，然后将蜡模从面层涂料中提出来，当蜡模表面的面层涂料停止流动时采用雨淋式撒砂机撒砂，所撒的砂为步骤二中所述的耐火粉料，干燥后，再重复挂膜、撒砂和干燥操作1～2次，得到型壳面层；四、按照钛合金精密铸造通用方法制备型壳背层、脱蜡后，得到型壳坯；五、将步骤四制备的型壳坯放入电阻焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为1200℃～1300℃，焙烧时间为2h～6h，焙烧完毕后炉冷至室温，得到型壳；六、采用自耗电极凝壳炉或水冷铜坩埚悬浮熔炼炉将钛合金或钛铝合金熔炼后，浇铸到步骤五制备的型壳中，钛合金或钛铝合金熔液凝固后，得到钛合金或钛铝合金铸件。

本发明与现有技术相比创新性在于可以通过调整影响钛合金及钛铝合金熔模精密铸造铸件质量和生产成本的最主要的两因素——面层型壳的粘结剂和耐火材料的配方，来控制钛合金及钛铝合金的铸件质量和生产成本。这种灵活可变的调整方式，可以使同一生产线满足不同质量需求、不同成本控制要求的钛合金和钛铝合金产品的生产需要。其核心在于，如果需要生产质量要求较高而成本不需严格控制的航空航天钛合金、高端民用钛合金或钛铝合金铸件，步骤一粘结剂中成本较高的锆溶胶的比例上升、相应的成本很低的硅溶胶的比例降低，二者之和只要保持99.2％即可；相反如果生产普通民用钛合金或钛铝合金铸件，质量要求不高，但是对成本要求严格，则降低高成本的锆溶胶，增加低成本的硅溶胶的含量即可以达到要求。但是硅溶胶的含量只能在0～80％之间变化，当硅溶胶的含量超过80％之后，铸造工艺难度加大，钛合金或钛铝合金铸件的生产控制难度加大，总体生产成本反而会上升，因此硅溶胶的含量需要控制在0～80％之内。同样地，面层涂料用耐火材料中低成本的碳酸钙、氧化铝与高成本的氧化锆的含量也是控制钛合金及钛铝合金铸件质量和生产成本的一对矛盾因素，通过调整其相对含量可以在进一步控制生产成本和铸件质量之间的平衡。但是碳酸钙含量需要控制在5％～70％之间，而氧化铝含量需要控制在5％～20％之间，这是保证钛合金及钛铝合金铸件基本质量的要求，也是本发明技术的另一创新之处。

本发明之所以可以在降低钛合金及钛铝合金精密铸造成本的同时还保证铸件的质量的核心在于，耐火粉料中价格低廉的碳酸钙在经过1200℃～1300℃高温烧结之后可以完全转变为对钛合金惰性的氧化钙，在烧结过程中氧化钙和氧化锆发生化学反应生成对钛合金同样具有惰性的锆酸钙。锆酸钙的形成解决了常规氧化锆粉末在大气下强烈吸收水蒸汽发生水解反应，难以应用在钛合金精密铸造中的难题，同时粘结剂中存在的部分硅溶胶在烧结过程中形成二氧化硅，以及耐火粉料中少量的二氧化钛、氧化铝在烧结过程中，一方面可以固溶稳定氧化锆和锆酸钙，另一方面可以进一步包覆在未发生反应的氧化钙颗粒表面，进一步阻止其吸收水蒸汽而发生水化反应。此外，本发明中引入微量的乳胶，一方面可以增加型壳的湿强度，另一方面可以改善型壳的透气性和退让性，提高钛合金铸件的质量。因此，本发明的钛合金及钛铝合金精密铸造型壳，一方面通过碳酸钙引入了对钛合金具有高度惰性而成本低廉的氧化钙，保证了钛合金及钛铝合金精密铸造型壳的惰性从而保证了铸件的内部质量，另一方面通过氧化锆、氧化钛、氧化铝以及硅溶胶中微量的二氧化硅与氧化钙的之间的相互作用，保证了碳酸钙焙烧后形成氧化钙的可用性，从而实现了利用低成本耐火材料来降低精密铸造成本并且保证铸件的质量。

通过本发明，在保证钛合金及钛铝合金铸件质量的前提下，生产普通钛合金和钛铝合金铸件时比目前通用的单纯采用锆基粘结剂加氧化锆耐火材料的精密铸造方法原材料成本可降低成本达70％，即使生产质量要求较高的铸件，其平均降低也可高达30％以上，这对降低整个钛合金铸件加工成本具有重要意义。

本发明在控制钛合金及钛铝合金熔模精密铸造的成本时在成本与钛合金铸件的质量之间可以达成一种平衡，不以牺牲钛合金和钛铝合金铸件质量来换取一定的原材料成本降低，也不以牺牲原材料成本，来过度追求钛合金及钛铝合金铸件的质量。这对解决目前钛合金生产企业普遍面临的产品线宽、客户范围广、产品质量要求宽、生产成本和产品质量控制难度大具有重要的意义。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法按以下步骤进行：一、配制粘结剂：按质量百分比分别称取18.77％～99.63％的锆溶胶、0～80％的硅溶胶、0.2％～0.4％的润湿剂JFC、0.02％～0.1％的正辛醇、0.1％～0.3％的聚乙烯醇和0.05％～0.43％的乳胶，先把锆溶胶和硅溶胶加入到容器中混合均匀，然后在搅拌条件下，依次加入润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶，再搅拌10min～30min，得到粘结剂；二、配制面层涂料：按质量百分比称取5％～70％的碳酸钙粉末、5％～20％的氧化铝粉末、2％～5％的二氧化钛粉末和5％～88％的氧化锆粉末并混合均匀，得到耐火粉料，然后按耐火粉料与步骤一得到的粘结剂的质量比为2～4∶1的比例，将耐火粉料加入到步骤一得到的粘结剂中，搅拌4h～24h，得到面层涂料；三、制备型壳面层：将清洗后的蜡模浸入步骤二得到的面层涂料中均匀挂膜，然后将蜡模从面层涂料中提出来，当蜡模表面的面层涂料停止流动时采用雨淋式撒砂机撒砂，所撒的砂为步骤二中所述的耐火粉料，干燥后，再重复挂膜、撒砂和干燥操作1～2次，得到型壳面层；四、按照钛合金精密铸造通用方法制备型壳背层、脱蜡后，得到型壳坯；五、将步骤四制备的型壳坯放入电阻焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为1200℃～1300℃，焙烧时间为2h～6h，焙烧完毕后炉冷至室温，得到型壳；六、采用自耗电极凝壳炉或水冷铜坩埚悬浮熔炼炉将钛合金或钛铝合金熔炼后，浇铸到步骤五制备的型壳中，钛合金或钛铝合金熔液凝固后，得到钛合金或钛铝合金铸件。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中的锆溶胶和硅溶胶质量百分数之和为99.2％。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或二不同的是步骤二中所述的面层涂料的4^#杯粘度控制为60s～80s。其它与具体实施方式一或二相同。

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步骤四中用钛合金精密铸造通用办法制备型壳背层时，采用硅溶胶作为粘结剂、铝矾土作为耐火粉料制备背层涂料，将型壳面层浸入到背层涂料中挂膜后，用铝矾土作为砂料进行撒砂，然后干燥，得到一层背层，背层的层数为5～8层。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四之一不同的是步骤四中所述的脱蜡为高压蒸汽脱蜡，脱蜡压力为0.5MPa～0.7MPa，脱蜡时间为5min～15min。其它与具体实施方式一至四之一相同。

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步骤六中所述的浇铸为离心浇铸或重力浇铸。其它与具体实施方式一至五之一相同。

采用以下试验验证本发明的效果：

试验一：本试验中钛合金及钛铝合金低成本精密铸造方法是按下述步骤进行的：一、配制粘结剂：按质量百分比分别称取69.2％的锆溶胶、30％的硅溶胶、0.4％的润湿剂JFC、0.05％的正辛醇、0.3％的聚乙烯醇和0.05％的乳胶，先把锆溶胶和硅溶胶加入到容器中混合均匀，然后在搅拌条件下，依次加入润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶，再搅拌30min，得到粘结剂；二、配制面层涂料：按质量百分比称取30％的325目碳酸钙粉末、5％的325目氧化铝粉末、2％的325目二氧化钛粉末和63％的325目氧化锆粉末并混合均匀，得到耐火粉料，然后按耐火粉料与步骤一得到的粘结剂的质量比为3∶1的比例，将耐火粉料加入到步骤一得到的粘结剂中，搅拌8h，得到面层涂料，该面层涂料的4^#杯粘度为70s；三、制备型壳面层：将清洗后的蜡模浸入步骤二得到的面层涂料中均匀挂膜，然后将蜡模从面层涂料中提出来，当蜡模表面的面层涂料停止流动时采用雨淋式撒砂机撒砂，所撒的砂为步骤二中所述的耐火粉料，干燥后，再重复挂膜、撒砂和干燥操作2次，得到型壳面层；四、按硅溶胶与铝矾土的质量比为作为3∶1称取粘结剂和铝矾土并混合均匀，得到背层涂料，将制备好型壳面层的蜡模浸入到背层涂料中挂膜后，用铝矾土作为砂料进行撒砂，然后干燥，得到一层背层，重复制备8层背层；然后将制备好型壳面层和型壳背层的蜡模用高压蒸汽脱蜡，脱蜡压力为0.6MPa，脱蜡时间为8min；得到型壳坯；五、将步骤四制备的型壳坯放入电阻焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为1200℃，焙烧时间为3h，焙烧完毕后炉冷至室温，得到型壳；六、采用自耗电极凝壳炉将TC4钛合金熔炼后，离心浇铸到步骤五制备的型壳中，钛合金熔液凝固后，得到钛合金铸件。

本试验一中，钛合金铸件表面α污染层在0.1～0.2mm之间，表面粗糙度Ra可达到1.6～3.2μm，与采用锆基粘结剂加氧化锆耐火材料的精密铸造方法平均降低原料成本约30％，可以生产最小局部壁厚1mm的普通航空航天钛合金铸件，或者高端民用钛合金铸件。

试验二：本试验中钛合金及钛铝合金低成本精密铸造方法是按下述步骤进行的：一、配制粘结剂：按质量百分比分别称取39.2％的锆溶胶、60％的硅溶胶、0.3％的润湿剂JFC、0.05％的正辛醇、0.3％的聚乙烯醇和0.15％的乳胶，先把锆溶胶和硅溶胶加入到容器中混合均匀，然后在搅拌条件下，依次加入润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶，再搅拌20min，得到粘结剂；二、配制面层涂料：按质量百分比称取50％的碳酸钙粉末、10％的氧化铝粉末、5％的二氧化钛粉末和35％的氧化锆粉末并混合均匀，得到耐火粉料，然后按耐火粉料与步骤一得到的粘结剂的质量比为2.8∶1的比例，将耐火粉料加入到步骤一得到的粘结剂中，搅拌5h，得到面层涂料，该面层涂料的4^#杯粘度为80s；三、制备型壳面层：将清洗后的蜡模浸入步骤二得到的面层涂料中均匀挂膜，然后将蜡模从面层涂料中提出来，当蜡模表面的面层涂料停止流动时采用雨淋式撒砂机撒砂，所撒的砂为步骤二中所述的耐火粉料，干燥后，再重复挂膜、撒砂和干燥操作2次，得到型壳面层；四、按硅溶胶与铝矾土的质量比为作为3∶1称取粘结剂和铝矾土并混合均匀，得到背层涂料，将制备好型壳面层的蜡模浸入到背层涂料中挂膜后，用铝矾土作为砂料进行撒砂，然后干燥，得到一层背层，重复制备7层背层；然后将制备好型壳面层和型壳背层的蜡模用高压蒸汽脱蜡，脱蜡压力为0.7MPa，脱蜡时间为5min；得到型壳坯；

五、将步骤四制备的型壳坯放入电阻焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为1200℃，焙烧时间为4h，焙烧完毕后炉冷至室温，得到型壳；六、采用自耗电极凝壳炉将TA15钛合金熔炼后，离心浇铸到步骤五制备的型壳中，钛合金熔液凝固后，得到钛合金铸件。

本试验二中，钛合金铸件表面α污染层在0.2～0.3mm之间，表面粗糙度Ra可达到1.6μm～3.2μm；与采用锆基粘结剂加氧化锆耐火材料的精密铸造方法平均降低原料成本约50％，可以生产最小局部壁厚1mm的质量要求较高的民用钛合金铸件。

试验三：本试验中钛合金及钛铝合金低成本精密铸造方法是按下述步骤进行的：一、配制粘结剂：按质量百分比分别称取19.2％的锆溶胶、80％的硅溶胶、0.3％的润湿剂JFC、0.05％的正辛醇、0.15％的聚乙烯醇和0.3％的乳胶，先把锆溶胶和硅溶胶加入到容器中混合均匀，然后在搅拌条件下，依次加入润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶，再搅拌30min，得到粘结剂；二、配制面层涂料：按质量百分比称取70％的325目碳酸钙粉末、20％的325目氧化铝粉末、5％的325目二氧化钛粉末和5％的325目氧化锆粉末并混合均匀，得到耐火粉料，然后按耐火粉料与步骤一得到的粘结剂的质量比为3∶1的比例，将耐火粉料加入到步骤一得到的粘结剂中，搅拌8h，得到面层涂料，该面层涂料的4^#杯粘度为70s；三、制备型壳面层：将清洗后的蜡模浸入步骤二得到的面层涂料中均匀挂膜，然后将蜡模从面层涂料中提出来，当蜡模表面的面层涂料停止流动时采用雨淋式撒砂机撒砂，所撒的砂为步骤二中所述的耐火粉料，干燥后，再重复挂膜、撒砂和干燥操作2次，得到型壳面层；四、按硅溶胶与铝矾土的质量比为作为3∶1称取粘结剂和铝矾土并混合均匀，得到背层涂料，将制备好型壳面层的蜡模浸入到背层涂料中挂膜后，用铝矾土作为砂料进行撒砂，然后干燥，得到一层背层，重复制备8层背层；然后将制备好型壳面层和型壳背层的蜡模用高压蒸汽脱蜡，脱蜡压力为0.65MPa，脱蜡时间为6min；得到型壳坯；五、将步骤四制备的型壳坯放入电阻焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为1200℃，焙烧时间为3h，焙烧完毕后炉冷至室温，得到型壳；六、采用自耗电极凝壳炉将Ti-47Al-2Cr-2Nb合金熔炼后，离心浇铸到步骤五制备的型壳中，钛铝合金熔液凝固后，得到钛铝合金铸件。

本试验三中，钛铝合金铸件表面α污染层为0.2mm，表面粗糙度可Ra可达到3.2～6.3μm；型壳强度中等，并且透气性和退让性较好，与采用锆基粘结剂加氧化锆耐火材料的精密铸造方法平均降低原料成本约70％，可以生产最小局部壁厚2mm的民用钛铝合金铸件。

Claims (6)

1.一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，其特征在于钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法按以下步骤进行：一、配制粘结剂：按质量百分比分别称取18.77％～99.63％的锆溶胶、0～80％的硅溶胶、0.2％～0.4％的润湿剂JFC、0.02％～0.1％的正辛醇、0.1％～0.3％的聚乙烯醇和0.05％～0.43％的乳胶，先把锆溶胶和硅溶胶加入到容器中混合均匀，然后在搅拌条件下，依次加入润湿剂JFC、正辛醇、聚乙烯醇和乳胶，再搅拌10min～30min，得到粘结剂；二、配制面层涂料：按质量百分比称取5％～70％的碳酸钙粉末、5％～20％的氧化铝粉末、2％～5％的二氧化钛粉末和5％～88％的氧化锆粉末并混合均匀，得到耐火粉料，然后按耐火粉料与步骤一得到的粘结剂的质量比为2～4∶1的比例，将耐火粉料加入到步骤一得到的粘结剂中，搅拌4h～24h，得到面层涂料；三、制备型壳面层：将清洗后的蜡模浸入步骤二得到的面层涂料中均匀挂膜，然后将蜡模从面层涂料中提出来，当蜡模表面的面层涂料停止流动时采用雨淋式撒砂机撒砂，所撒的砂为步骤二中所述的耐火粉料，干燥后，再重复挂膜、撒砂和干燥操作1～2次，得到型壳面层；四、按照钛合金精密铸造通用方法制备型壳背层、脱蜡后，得到型壳坯；五、将步骤四制备的型壳坯放入电阻焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为1200℃～1300℃，焙烧时间为2h～6h，焙烧完毕后炉冷至室温，得到型壳；六、采用自耗电极凝壳炉或水冷铜坩埚悬浮熔炼炉将钛合金或钛铝合金熔炼后，浇铸到步骤五制备的型壳中，钛合金或钛铝合金熔液凝固后，得到钛合金或钛铝合金铸件。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，其特征在于步骤一中的锆溶胶和硅溶胶质量百分数之和为99.2％。

3.根据权利要求1或2所述的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，其特征在于步骤二中所述的面层涂料的4^#杯粘度控制为60s～80s。

4.根据权利要求1或2所述的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，其特征在于是步骤四中用钛合金精密铸造通用办法制备型壳背层时，采用硅溶胶作为粘结剂、铝矾土作为耐火粉料制备背层涂料，将型壳面层浸入到背层涂料中挂膜后，用铝矾土作为砂料进行撒砂，然后干燥，得到一层背层，背层的层数为5～8层。

5.根据权利要求1或2所述的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，其特征在于步骤四中所述的脱蜡为高压蒸汽脱蜡，脱蜡压力为0.5MPa～0.7MPa，脱蜡时间为5min～15min。

6.根据权利要求1或2所述的一种钛合金及钛铝合金的低成本精密铸造方法，其特征在于步骤六中所述的浇铸为离心浇铸或重力浇铸。