CN103537620A - 一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法 - Google Patents

一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法 Download PDF

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李建崇
朱郎平
南海
赵嘉琪
黄东
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Abstract

本发明是一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，该方法隔离层料浆以钇溶胶为粘结剂，以硼化钛、硼化锆、高纯钨粉等为填料制备而成。模壳经蜡型制备、涂挂、蜡型脱除、高温烧结制备而成。本发明的模壳系统具有料浆性能稳定，涂敷性能好，易于保存，模壳耐高温、抗热震性好、化学稳定性高等特点，制备的铸件具有表面污染层薄，尺寸精度高等特点。该模壳适用于具有定向凝固组织的涡轮叶片的研制和生产。

Description

一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法
技术领域
本发明是一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，属于熔模精密铸造模壳的制备技术领域。
背景技术
钛铝基合金是优良的结构材料，具有密度小、比强度高、抗腐蚀性能好、良好的抗蠕变及抗氧化等特点，广泛应用于航空航天领域。但阻碍其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，适合于批量制造、无加工余量及难于机加工的复杂构件。
定向凝固是利用凝固时对热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制晶体取向，消除横向晶界，改善室温力学性能，提高其塑性、断裂韧性和抗蠕变性能。
定向凝固技术能极大提高钛铝基合金的室温塑性、断裂韧性、蠕变强度等性能，为铸件制备开辟了一条新道路，为钛铝基合金向凝固产品的应用提供了广阔的前景。
钛铝基合金熔体易与模壳材料发生反应，在铸件的表面形成污染层，恶化铸件质量，影响铸件的力学性能。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其目的是为解决钛铝基合金在定向凝固过程中高温熔体与模壳间的相互作用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
把硼化钛、硼化锆、钨中的一种或几种混合后的粉末与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为3:1～8:1，钨的质量分数不小于99.99%；
⑵背层料浆配制
把氧化锆粉和锆溶胶按重量比2:1～6:1混合，搅拌均匀，待用；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒氧化钇砂，干燥12～36小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作2～4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒氧化锆砂，干燥12～24小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
脱除蜡模后的模壳随炉升温至200℃～400℃并保温2～6小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1000℃～1800℃并保温2～6小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
硼化钛、硼化锆、钨的粉末粒度为200～500目，隔离层料浆的流杯粘度为30～100s。
氧化锆粉的粒度为200～500目，背层料浆的流杯粘度为20～80s。
步骤⑶中所述的氧化钇砂的粒度为30～150目，干燥温度为20～25℃，环境湿度为30～90%。
步骤⑷中所述的氧化锆砂的粒度为20～100目，干燥温度为22～28℃，环境湿度为20～80%。
步骤⑸中所述的脱除蜡模是采用有机溶剂脱蜡。
本发明技术方案中，氧化钇、氧化锆等具有优良的耐热、耐腐蚀和高温稳定性，在高温下不易与合金元素发生反应，因此氧化钇、氧化锆化合物的胶体适合用做粘结剂；硼化钛、硼化锆、高纯钨粉等熔点较高，在一定气氛下化学稳定性较高，和合金熔体间发生微弱的反应，或者杂质元素以有益的成分融入合金中，起到改善合金性能的作用，比较适合用作料浆填料。
本发明方法的优点是：
（1）隔离层料浆和蜡型间的涂敷性较好，料浆性能稳定，易于长期保存；
（2）型壳高温惰性高，与合金熔体间反应比较微弱；
（3）隔离层制备与背层制备工艺的组合使模壳具有尺寸稳定，高温强度和抗热震性能优异等特点。
本发明技术方案制备的模壳主要用于制备具有定向组织的发动机涡轮叶片，具有十分重要的应用价值和广阔的应用市场。
具体实施方式
实施例1
该种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法的实施步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
将粉末粒度为200目的硼化钛粉末与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为3:1，隔离层料浆的流杯粘度为98s；
⑵背层料浆配制
将粉末粒度为200目的氧化锆粉末和锆溶胶按重量比2:1混合，搅拌均匀，待用，背层料浆的流杯粘度为78s；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒粉末粒度为30目的氧化钇砂，在20℃、湿度为30%的环境下，干燥12小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒粉末粒度为30目的氧化锆砂，在22℃、湿度为20%的环境下，干燥12小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
采用有机溶剂脱除蜡模后的模壳随马弗炉升温至200℃并保温6小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1800℃并保温2小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
实施例2
该种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法的实施步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
将粉末粒度为325目的硼化钛粉末与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为5:1，隔离层料浆的流杯粘度为55s；
⑵背层料浆配制
将粉末粒度为325目的氧化锆粉末和锆溶胶按重量比4:1混合，搅拌均匀，待用，背层料浆的流杯粘度为42s；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒粉末粒度为100目的氧化钇砂，在23℃、湿度为60%的环境下，干燥20小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒粉末粒度为60目的氧化锆砂，在25℃、湿度为60%的环境下，干燥18小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
采用有机溶剂脱除蜡模后的模壳随马弗炉升温至300℃并保温4小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1400℃并保温4小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
实施例3
该种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法的实施步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
将粉末粒度为500目的硼化钛粉末与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为8:1，隔离层料浆的流杯粘度为34s；
⑵背层料浆配制
将粉末粒度为500目的氧化锆粉末和锆溶胶按重量比6:1混合，搅拌均匀，待用，背层料浆的流杯粘度为23s；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒粉末粒度为150目的氧化钇砂，在25℃、湿度为90%的环境下，干燥36小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒粉末粒度为100目的氧化锆砂，在28℃、湿度为80%的环境下，干燥24小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
采用有机溶剂脱除蜡模后的模壳随马弗炉升温至400℃并保温2小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1000℃并保温6小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
实施例4
该种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法的实施步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
将粉末粒度为325目的硼化锆粉末与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为5:1，隔离层料浆的流杯粘度为60s；
⑵背层料浆配制
将粉末粒度为325目的氧化锆粉末和锆溶胶按重量比4:1混合，搅拌均匀，待用，背层料浆的流杯粘度为40s；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒粉末粒度为100目的氧化钇砂，在23℃、湿度为60%的环境下，干燥20小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒粉末粒度为60目的氧化锆砂，在25℃、湿度为60%的环境下，干燥18小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
采用有机溶剂脱除蜡模后的模壳随马弗炉升温至300℃并保温4小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1400℃并保温4小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
实施例5
该种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法的实施步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
将粉末粒度为325目的硼化钛和钨粉末按重量百分比1:1均匀混合后与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为5:1，隔离层料浆的流杯粘度为98s，钨的质量分数不小于99.99%；
⑵背层料浆配制
将粉末粒度为325目的氧化锆粉末和锆溶胶按重量比4:1混合，搅拌均匀，待用，背层料浆的流杯粘度为41s；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒粉末粒度为60目的氧化钇砂，在23℃、湿度为60%的环境下，干燥20小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒粉末粒度为60目的氧化锆砂，在25℃、湿度为60%的环境下，干燥18小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
采用有机溶剂脱除蜡模后的模壳随马弗炉升温至300℃并保温4小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1400℃并保温4小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
与现有技术相比，本发明方法制备的模壳系统具有料浆性能稳定，涂敷性能好，易于保存，模壳耐高温、抗热震性好、化学稳定性高等特点，制备的铸件具有表面污染层薄，尺寸精度高等特点。该模壳适用于具有定向凝固组织的涡轮叶片的研制和生产。

Claims (6)

1.一种钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：该方法步骤如下：
⑴隔离层料浆配制
把硼化钛、硼化锆、钨中的一种或几种混合后的粉末与钇溶胶混合，搅拌均匀，待用，所述粉末与钇溶胶的重量比为3:1～8:1，钨的质量分数不小于99.99%；
⑵背层料浆配制
把氧化锆粉和锆溶胶按重量比2:1～6:1混合，搅拌均匀，待用；
⑶模壳隔离层制备
把配制好的隔离层料浆涂挂在蜡模上，然后均匀铺撒氧化钇砂，干燥12～36小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作2～4次，形成高温惰性隔离层；
⑷模壳背层制备
在制备好的高温惰性隔离层上涂挂背层料浆，然后均匀铺撒氧化锆砂，干燥12～24小时，重复上述涂挂、铺撒和干燥操作4～7次，最后涂挂的一层背层料浆上不撒砂，形成模壳背层；
⑸高温烧结
脱除蜡模后的模壳随炉升温至200℃～400℃并保温2～6小时，保温过程中，在炉体内通入氧气，保温过程结束后，停止氧气输入，在炉体内通入氢气，并升温至1000℃～1800℃并保温2～6小时，随炉冷却到室温，停止氢气输入，模壳出炉。
2.根据权利要求1中所述的钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：硼化钛、硼化锆、钨的粉末粒度为200～500目，隔离层料浆的流杯粘度为30～100s。
3.根据权利要求1中所述的钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：氧化锆粉的粒度为200～500目，背层料浆的流杯粘度为20～80s。
4.根据权利要求1中所述的钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：步骤⑶中所述的氧化钇砂的粒度为30～150目，干燥温度为20～25℃，环境湿度为30～90%。
5.根据权利要求1中所述的钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：步骤⑷中所述的氧化锆砂的粒度为20～100目，干燥温度为22～28℃，环境湿度为20～80%。
6.根据权利要求1中所述的钛铝基合金定向凝固熔模精密铸造模壳的制备方法，其特征在于：步骤⑸中所述的脱除蜡模是采用有机溶剂脱蜡。
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