CN105170908A

CN105170908A - 一种聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法

Info

Publication number: CN105170908A
Application number: CN201510520420.7A
Authority: CN
Inventors: 岳春华
Original assignee: Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Current assignee: Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明属于有色金属熔模精密高温陶瓷成型技术领域，具体涉及一种聚苯乙烯模样的钛合金熔模精密铸造锆酸钙型壳的制备方法，包括如下步骤：模样制备、模样清洗、面层涂挂、加固层料浆的配制、加固层型壳制备、焙烧。该制备方法中料浆稳定性能好，悬浮性好，流动性能好；原材料价格较低，来源广泛；所制型壳强度高，表面质量好，惰性好；其型壳与钛合金不易反应，沾污层厚度小。

Description

一种聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属熔模精密高温陶瓷成型技术领域，具体涉及一种聚苯乙烯模样的钛合金熔模精密铸造锆酸钙型壳的制备方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等特点，被广泛应用于航空航天、航海、能源工业、体育休闲，化学工业等方面，既是二十一世纪高新技术领域具有战略意义的关键材料，同时也正在成为现代生活的理想结构材料。

钛合金熔模精密铸造，是一种比较先进的钛合金铸造成形工艺，在实现复杂、薄壁、精密铸件成形具有无可比拟的优势。传统的熔模精密铸造工艺是用易熔的材料(如蜡料)制成可熔性模型(简称熔模)，在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体模组，再从模组中熔失熔模从而获得中空的型壳，然后将型壳进行高温烧结，最后在其中浇注熔融的金属而得到的铸件的方法。随着3D打印技术的发展，采用聚苯乙烯材料经过激光烧结可以快速制备出尺寸精度高的模料，大大缩短了熔模精密铸造的生产周期，提高了铸件的生产效率。聚苯乙烯材料生产的模样与传统的蜡模成分有本质的区别，对于钛合金熔模精密铸造制备的方法提出了新的要求。因此，研究聚苯乙烯模样的钛合金熔模精密铸造型壳制备方法，可以提高提高熔模精密铸件质量及生产效率，以满足军工、民用钛合金产品在高质量、高效率、低成本等方面的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于聚苯乙烯蜡料钛合金熔模精密铸造低成本，高质量的型壳的制备方法，具体工艺步骤如下：

a、模样制备

将聚苯乙烯原材料放入快速成型机中，采用3D打印方法制备模样；

b、模样清洗

将模样放入酮类、醇类或水基的蜡模清洗液中，使模样所有部位均与清洗液接触，清洗时间不小于30秒，清洗后的模组风干或自然干燥；

c、面层涂挂

在锆溶胶中加入去离子水，混合均匀后按需加入锆酸钙或锆酸钙和氧化锆的混合物或锆酸钙和氧化钇的混合物，经过氧化锆球磨处理后，加入消泡剂、表面活性剂和添加剂调整料浆的粘度为12-65秒后，料浆搅拌时间不小于8h制得面层涂料料浆后，料浆搅拌均匀后采用自动或手动的方式用料勺将配制好的料浆浇淋到模样上，使模组各部分均匀地挂上料浆，控料至多余的料滴淌净后，将60目～100目的氧化锆砂均匀地撒到模组上，采用自然干燥方式，干燥时间不小于20h，面层干燥间温度16℃～25℃，湿度30％～85％，待模组充分干燥硬化后，重复一次上述过程；

d、加固层料浆的配制

将加固层粘结剂加入T形或L形涂料搅拌桶中，启动搅拌按钮，边搅拌边加入耐火材料，料浆搅拌均匀无团状及沉淀后，加入消泡剂、表面活性剂、添加剂，采用蔡恩杯4#进行料浆粘度的测定，料浆搅拌不小于12h后方可使用。

e、加固层型壳制备

采用自动或手动的方式用料勺将配制好的料浆浇淋到模组上，并缓慢不断翻动模组，使模组各部分均匀地挂上料浆，控料至多余的料滴淌干净。打开抽风机，将模组移至撒砂台，将砂料均匀地撒到模组上。将模组放入干燥间干燥，干燥时间不小于4h,待前一层完全干燥硬化后进行下一层涂挂，型壳最后一层只进行料浆的涂挂，不撒砂。涂料层次为5层～16层，涂层厚度为6mm～20mm。

f、焙烧：

将涂覆完整涂层的铸型放入焙烧炉中焙烧，焙烧工艺为：升温至500℃，保温2h～4h，升温至900～1200℃，保温1h～4h。铸型于50℃以上取出，放入钛合金真空熔炼炉中浇注。

上述步骤d中的加固层粘结剂优选为：Si30硅溶胶、Si25硅溶胶或硅酸乙酯中任意一种；

耐火材料优选为：铝矾土(160目～200目)、煤矸石(160目～200目)或锆英粉(160目～260目)中的任意一种；

上述步骤c、d中消泡剂优选为正辛醇、正戊醇、异丙醇、活性聚硅氧烷水溶液；表面活性剂优选为渗透剂EA类渗透剂或者是OT型表面活性剂等；添加剂优选乳胶、有机氢氧化物如氢氧化四甲基铵、氢氧化四乙基铵、氢氧化四羟乙基铵或其他相当的有机氢氧化物。

上述步骤e中撒砂材料优选为：铝矾土砂、煤矸石砂或锆英粉砂中的任意一种；

有益效果

本发明的一种聚苯乙烯模样的钛合金熔模精密铸造锆酸钙型壳制备方法，料浆稳定性能好，悬浮性好，流动性能好；原材料价格较低，来源广泛；所制型壳强度高，表面质量好，惰性好；其型壳与钛合金不易反应，沾污层厚度小。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

模样制备：将聚苯乙烯原材料放入快速成型机中采用3D打印方法制备模样；

模样清洗：经模样放入酮类、醇类或水基的蜡模清洗液中，使模样所有部位均与清洗液接触，清洗时间不小于30秒。清洗后的模组风干或自然干燥。

涂料的制备：在500g粘结剂锆溶胶中加入30g去离子水，混合均匀后加入400目的锆酸钙800g,使用的锆酸钙是经过煅烧烧结后破碎筛分经过稳定化处理的颗粒，加入325目电熔氧化钇200g，并用氧化锆球体球磨3.5h，加入1gOT型表面活性剂，0.5g正辛醇，15g乳胶，5g氢氧化四甲基铵所制备的涂料的粘度为25s左右。将此涂料作为钛合金面层2层需涂料。

型壳制备：涂料配制好后，用容器将涂料均匀的浇到蜡模上方，确保模组均匀涂挂，当模组无多余料浆时，将50目～80目的氧化锆砂均匀的涂挂到模组上。涂料经过充分干燥硬化后重复上述步骤。

然后进行背层涂挂，背层粘结剂选用硅溶胶Si30粘结剂，耐火材料选用200目的铝矾土，撒砂材料选用10目～60目的铝矾土砂，涂挂后每层完全干燥硬化后涂挂下一层，背层涂挂8层。见表1

将干燥好的型壳放入焙烧炉中焙烧，升温至500℃，保温3h。升温至1050℃，保温2h。型壳于200℃以上取出，放入钛合金真空熔炼炉中浇注。

所制的钛合金ZTA15铸件表面质量好，内部质量好，铸件表面沾污层厚度小于0.15mm,其锆酸钙陶瓷型壳的成本为氧化钇陶瓷型壳的1/2。

表1

层次	料浆粘度	撒砂粒度	干燥方式	环境温度	环境湿度
						1～3层	4s～10s	30目～60目	风干	18℃～24℃	30％～70％
4～6层	6s～13s	16目～30目	风干	20℃～26℃	30％～70％

7层及以后

10s～17s

10目～20目

风干

20℃～26℃

30％～70％

实施例2

涂料的制备：在500g粘结剂锆溶胶中加入50g去离子水，混合均匀后加入400目的锆酸钙600g,使用的锆酸钙是经过煅烧烧结后破碎筛分经过稳定化处理的颗粒，加入325目电熔氧化锆400g,并用氧化锆球体球磨3.5小时，加入1gOT型表面活性剂，0.5g正辛醇，15g乳胶，2.5g氢氧化四甲基铵,所制备的涂料的粘度为20秒左右。将此涂料作为钛合金面层及临面层所需涂料。

型壳制备：涂料配制好后，用容器将涂料均匀的浇到蜡模上方，确保模组均匀涂挂，当模组无多余料浆时，将50-80目的氧化锆砂均匀的涂挂到模组上。涂料经过充分干燥硬化后重复上述步骤。然后进行背层涂挂，背层粘结剂选用Si25硅溶胶，耐火材料选用180目的煤矸石粉，撒砂材料选用10-60目的煤矸石砂，涂挂后每层完全干燥硬化后涂挂下一层，背层涂挂8层。见表2

将干燥好的型壳放入蒸汽脱蜡釜中脱蜡，脱蜡后的型壳放入焙烧炉中焙烧，焙烧温度为1020℃，保温2小时。型壳于500℃以上取出，放入钛合金真空熔炼炉中浇注。

所制的钛合金ZTA15铸件表面质量好，内部质量好，铸件表面沾污层厚度小于0.2mm,其锆酸钙陶瓷型壳的成本为氧化钇陶瓷型壳的1/3。

表2

层次

料浆粘度

撒砂粒度

干燥方式

环境温度

环境湿度

1～3层	4s～9s	30目～60目	风干	18℃～24℃	30％～70％
						4～6层	7s～14s	16目～30目	风干	20℃～26℃	30％～70％
7层及以后	9s～18s	10目～20目	风干	20℃～26℃	30％～70％

实施例3(硅酸乙酯粘结剂)：

涂料的制备：在500g粘结剂锆溶胶中加入30g去离子水，混合均匀后加入400目的锆酸钙800g,使用的锆酸钙是经过煅烧烧结后破碎筛分经过稳定化处理的颗粒，加入325目电熔氧化钇200g，并用氧化锆球体球磨3.5小时，加入1gOT型表面活性剂，0.5g正辛醇，15g乳胶，5g氢氧化四甲基铵所制备的涂料的粘度为25秒左右。将此涂料作为钛合金面层及临面层所需涂料。

型壳制备：涂料配制好后，用容器将涂料均匀的浇到蜡模上方，确保模组均匀涂挂，当模组无多余料浆时，将50-80目的氧化锆砂均匀的涂挂到模组上。

涂料经过充分干燥硬化后重复上述步骤。然后进行背层涂挂，背层粘结剂选用硅酸乙酯，耐火材料选用260目锆英粉，撒砂材料选用10-60目的锆英粉砂，涂挂后每层完全干燥硬化后涂挂下一层，背层涂挂8层。见表3

表3

层次	料浆粘度	撒砂粒度	干燥方式	环境温度	环境湿度
						1～3层	3s～6s	30目～60目	自然干燥	18℃～24℃	45％～80％
4～6层	5s～9s	16目～30目	自然干燥	21℃～26℃	45％～80％
						7层及以后	8s～14s	10目～20目	自然干燥	21℃～26℃	45％～80％

Claims

1.一种聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)模样制备

将聚苯乙烯原材料放入快速成型机中采用3D打印方法制备模样；

b)模样清洗

将模样放入清洗液中进行清洗，时间不小于30秒，清洗后的模组风干或自然干燥；

c)面层涂挂

在锆溶胶中加入去离子水，混合均匀后按需加入锆酸钙或锆酸钙和氧化锆的混合物或锆酸钙和氧化钇的混合物，经过氧化锆球磨处理后，加入消泡剂、表面活性剂和添加剂调整料浆的粘度为12-65秒后，搅拌时间不小于8h，制得面层涂料料浆，采用自动或手动的方式用料勺将配制好的料浆浇淋到模样上，使模组各部分均匀地挂上料浆，控料至多余的料滴淌净后，将60目～100目的氧化锆砂均匀地撒到模组上，采用自然干燥方式，干燥时间不小于20h，面层干燥温度16℃～25℃，湿度30％～85％，待模组充分干燥硬化后，重复一次上述过程；

d)加固层料浆的配制

将加固层粘结剂加入搅拌桶中，边搅拌边加入耐火材料，待料浆搅拌均匀无团状及沉淀后，加入消泡剂、表面活性剂和添加剂进行料浆粘度的测定，料浆搅拌不小于12h后制得加固层料浆；

e)加固层型壳制备

采用自动或手动的方式用料勺将配制好的加固层料浆浇淋到模组上，并缓慢不断翻动模组，使模组各部分均匀地挂上料浆，控料至多余的料滴淌干净，打开抽风机，将模组移至撒砂台，将砂料均匀地撒到模组上，将模组放入干燥间干燥，时间不小于4h，待前一层完全干燥硬化后进行下一层涂挂，型壳最后一层只进行料浆的涂挂，不撒砂，涂料层次为5层～16层，涂层厚度为6mm～20mm；

f)焙烧

将涂覆完整涂层的型壳放入焙烧炉中焙烧，焙烧工艺为：升温至500℃，保温2h～4h，升温至900～1200℃，保温1h～4h；型壳于50℃以上取出，放入钛合金真空熔炼炉中浇注。

2.一种如权利要求1所述的聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法，其特征在于，步骤d)中所述的加固层粘结剂为Si30硅溶胶、Si25硅溶胶或硅酸乙酯中的任意一种。

3.一种如权利要求1所述的聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法，其特征在于，步骤d)中所述的耐火材料为：160目～200目铝矾土、160目～200目煤矸石或160目～260目锆英粉中的任意一种。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法，其特征在于，步骤c)和d)中所述的消泡剂为正辛醇、正戊醇、异丙醇、活性聚硅氧烷水溶液之一或其混合物；所述的表面活性剂为渗透剂EA型渗透剂或者OT型表面活性剂；所述的添加剂为乳胶或有机氢氧化物。

5.一种如权利要求4所述的聚苯乙烯模样的钛合金精密铸造锆酸钙型壳的制备方法，其特征在于，步骤e)中所述的砂料为铝矾土砂、煤矸石砂或锆英粉砂中的任意一种。