CN106363131A - 钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法 - Google Patents

钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法 Download PDF

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Abstract

一种钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法，通过依次进行面层沾浆、面层淋砂、背层沾浆以及背层淋砂后制成陶瓷型壳，再以氧化钇溶胶对陶瓷型壳面层的内表面进行改性得以实现。本发明能够在兼顾型壳面层浆料成本、稳定性的同时，降低型壳面层与钛合金的反应活性，使钛合金铸件的表面质量达到生产要求。

Description

钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法
技术领域
本发明涉及的是一种钛合金表面处理领域的技术，具体是一种钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法。
背景技术
近年来，熔模精密铸造技术越来越多地应用于不锈钢、镍基高温合金、钛合金等零部件的制造，服务于航天航空、船舶、汽车、能源、机械等领域。随着对铸件表面质量要求的提高，制造商更加关注陶瓷型壳面层材料的选择和面层与合金熔体界面高温反应的控制问题。在各种熔模铸件中，钛合金因其在熔融状态下化学活性高，因此几乎可以与所有的氧化物耐火陶瓷材料都会发生界面化学反应而生成有害相，对铸件尺寸精度的提高和表面粗糙度的降低造成了不利的影响。在各种氧化物陶瓷中，氧化钍与钛合金熔体高温反应活性最低，但是因其具有辐射性，因此无法大批量应用于钛合金的熔模铸造。与其它氧化物陶瓷相比，氧化钇是除氧化钍以外，与钛合金熔体反应活性最低的、可批量化使用的陶瓷材料，因此目前国内外钛合金精密铸造企业大多采用氧化钇作为面层耐火材料。
以氧化钇粉体作为基料配制钛合金熔模铸造用陶瓷型壳面层浆料，面临的主要问题是氧化钇易发生水化，导致浆料凝胶报废，因此氧化钇面层浆料的保质期比较短；另一个主要问题是氧化钇价格昂贵，是增加钛合金制造成本的主要因素之一。
以电熔刚玉粉、锆英粉等配制的陶瓷浆料被广泛应用于镍基高温合金、不锈钢等精铸用陶瓷型壳面层的制备，但与氧化钇相比，采用这些陶瓷粉体配制的浆料保质期长，成本较低，但在高温下与钛合金的反应活性较大，因此不适合直接用于成形钛合金铸件，尤其是具有复杂、薄壁结构的钛合金铸件。
发明内容
本发明针对现有模壳采用的氧化钙、氧化钇依然存在水化的问题，而采用氮化硼则存在制造成本过高的问题，提出一种钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法，能够在兼顾型壳面层浆料成本、稳定性的同时，降低型壳面层与钛合金的反应活性，使钛合金铸件的表面质量达到生产要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过依次进行面层沾浆、面层淋砂、背层沾浆以及背层淋砂后制成陶瓷型壳，再以氧化钇溶胶对陶瓷型壳面层的内表面进行改性得以实现。
所述方法具体为：采用α‐Al2O3、电熔刚玉粉或锆英粉中的一种为耐火粉料，并以硅溶胶为粘结剂，配制得到面层浆料，然后在蜡模表面进行陶瓷型壳面层沾浆，以锆英砂作为面层砂进行淋砂，干燥后即得到面层型壳；以电熔刚玉粉为耐火材料、以硅溶胶为粘结剂、以电熔刚玉砂为背层砂配置得背层浆料，将陶瓷型壳背层多次沾淋并干燥得到背层型壳；将陶瓷型壳进行脱蜡、焙烧后，再把氧化钇溶胶倒入型壳中进行陶瓷型壳面层的内表面改型，将多余的氧化钇溶胶倒出后，对陶瓷型壳进行焙烧，得到可用于钛合金铸造用陶瓷型壳。
所述的α‐Al2O3，粒度为325目，纯度为99.5wt.％。
所述的电熔刚玉粉，粒度为325目，纯度为99.5wt％。
所述的锆英粉，粒度为325目，氧化锆含量66.4wt.％，氧化铁含量低于0.06wt.％。
所述的锆英砂，粒度为80‐120目，氧化锆含量66.4wt.％，氧化铁含量低于0.06wt.％。
所述的硅溶胶，为碱性硅溶胶，pH8‐10，二氧化硅含量为30wt.％，二氧化硅粒度为10nm。
所述的电熔莫来石砂，粒度为35目，氧化铝含量72.6wt.％，二氧化硅含量25.6wt.％。
所述的面层浆料，进一步包括分散剂、润湿剂和消泡剂，其中：分散剂采用聚丙烯酸铵，润湿剂采用烷基苯酚与环氧乙烷经缩合物，消泡剂采用有机硅消泡剂。
所述的面层浆料中耐火粉料与粘结剂的重量比为(79～85)：(14～29)。
所述的背层浆料中耐火材料与粘结剂的重量比为80：20。
所述的陶瓷型壳，经背层淋砂后进行脱蜡以及焙烧。
所述的面层改性是指：将氧化钇溶胶灌注到陶瓷型壳中，保持1h后，将氧化钇溶胶倒出来，再将陶瓷型壳在室温下保持24h，再于600‐800℃下进行热处理，使氧化钇溶胶分解得到氧化钇面层改性涂层。
所述的氧化钇溶胶为半透明液体，氧化钇含量为30wt.％，水的含量为70wt.％。
本发明涉及上述方法制备得到用于钛合金铸造的面层内表面改性的陶瓷型壳，其由内而外依次包含：氧化钇溶胶改性层、陶瓷型壳面层和陶瓷型壳背层。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
第一，采用的α‐Al2O3、电熔刚玉粉或锆英粉价格远低于氧化钇，且在与硅溶胶配伍时不会发生水化胶凝，存储其长，有利于大批量钛合金陶瓷型壳的制备；
第二，采用氧化钇溶胶在陶瓷型壳面层表面通过热分解方式形成的氧化钇改性涂层，可在一定程度上阻隔了钛合金熔体与α‐Al2O3、电熔刚玉粉或锆英粉面层的接触，因此降低了钛合金熔体与α‐Al2O3、电熔刚玉粉或锆英粉面层的高温界面反应，从而使钛合金铸件表面反应层的厚度有所降低，提高了铸件的表面质量。
具体实施方式
实施例1
本实施例通过以下步骤实现钛合金铸造用陶瓷型壳面层的改性：
步骤一，型壳面层浆料的配制，将14重量份的硅溶胶加入到配浆桶中，启动配浆桶的搅拌浆，然后将85重量份的锆英粉，在搅拌的条件下加入到硅溶胶中，然后加入0.5重量份的分散剂，0.2重量份的润湿剂和0.3重量份的消泡剂，继续搅拌2h，转移至带有L型搅拌桨的沾浆桶中，在常温下搅拌12h，即获得稳定的面层浆料。
步骤二，陶瓷型壳的制备，将钛合金熔模铸造用蜡模表面经清洗、吹干后，进行型壳面层的沾浆，然后采用锆英砂作为面层型砂，进行面层淋砂，型壳面层干燥后，再进行陶瓷型壳背层的沾浆和淋砂，所采用的背层浆料是以电熔刚玉粉为原料，以硅溶胶为粘结剂配制而成，其中电熔刚玉粉与硅溶胶的固液重量比优选80：20，背层砂为电熔莫来石砂；最后以背层浆料进行封浆，获得陶瓷型壳。
步骤三，陶瓷型壳面层改性，将陶瓷型壳进行脱蜡以及焙烧后，将氧化钇溶胶灌注到陶瓷型壳中，保持1h后，将氧化钇溶胶倒出来，再将陶瓷型壳在室温下保持24h，再于800℃下进行热处理，使氧化钇溶胶热分解得到氧化钇面层改性涂层，实现陶瓷型壳面层改性。
采用面层内表面改性的陶瓷型壳，经采用TC4钛合金试样浇注，检测铸件表面反应层厚度为15‐25μm，而采用未经面层内表面改性的陶瓷型壳，经采用TC4钛合金试样浇注，检测铸件表面反应层厚度为120‐200μm，改进效果明显。
实施例2
本实施例通过以下步骤实现高孔隙率易脱除陶瓷型芯的制备：
步骤一，型壳面层浆料的配制，将20重量份的硅溶胶加入到配浆桶中，启动配浆桶的搅拌浆，然后将79重量份的325目的电熔刚玉粉，在搅拌的条件下加入到硅溶胶中，然后加入0.25重量份的分散剂，0.15重量份的润湿剂和0.6重量份的消泡剂，继续搅拌2h，转移至带有L型搅拌桨的沾浆桶中，在常温下搅拌12h，即获得稳定的面层浆料。
步骤二，陶瓷型壳的制备，将钛合金熔模铸造用蜡模表面经清洗、吹干后，进行型壳面层的沾浆，然后采用锆英砂作为面层型砂，进行面层淋砂，型壳面层干燥后，再进行陶瓷型壳背层的沾浆和淋砂，所采用的背层浆料是以电熔刚玉粉为原料，以硅溶胶为粘结剂配制而成，其中电熔刚玉粉与硅溶胶的固液重量比优选80：20，背层砂为电熔莫来石砂；最后以背层浆料进行封浆，获得陶瓷型壳。
步骤三，陶瓷型壳面层改性，将陶瓷型壳进行脱蜡以及焙烧后，将氧化钇溶胶灌注到陶瓷型壳中，保持1h后，将氧化钇溶胶倒出来，再将陶瓷型壳在室温下保持24h，再于700℃下进行热处理，使氧化钇溶胶热分解得到氧化钇面层改性涂层，实现陶瓷型壳面层改性。
采用面层内表面改性的陶瓷型壳，经采用TC4钛合金试样浇注，检测铸件表面反应层厚度为35‐45μm，而采用未经面层内表面改性的陶瓷型壳，经采用TC4钛合金试样浇注，检测铸件表面反应层厚度为120‐200μm，改进效果明显。
实施例3
本实施例通过以下步骤实现高孔隙率易脱除陶瓷型芯的制备：
步骤一，型壳面层浆料的配制，将29重量份的硅溶胶加入到配浆桶中，启动配浆桶的搅拌浆，然后将79重量份的325目的α‐Al2O3粉体，在搅拌的条件下加入到硅溶胶中，然后加入0.5重量份的分散剂，0.2重量份的润湿剂和0.3重量份的消泡剂，继续搅拌2h，转移至带有L型搅拌桨的沾浆桶中，在常温下搅拌12h，即获得稳定的面层浆料。
步骤二，陶瓷型壳的制备，将钛合金熔模铸造用蜡模表面经清洗、吹干后，进行型壳面层的沾浆，然后采用锆英砂作为面层型砂，进行面层淋砂，型壳面层干燥后，再进行陶瓷型壳背层的沾浆和淋砂，所采用的背层浆料是以电熔刚玉粉为原料，以硅溶胶为粘结剂配制而成，其中电熔刚玉粉与硅溶胶的固液重量比优选80：20，背层砂为电熔莫来石砂；最后以背层浆料进行封浆，获得陶瓷型壳。
步骤三，陶瓷型壳面层改性，将陶瓷型壳进行脱蜡以及焙烧后，将氧化钇溶胶灌注到陶瓷型壳中，保持1h后，将氧化钇溶胶倒出来，再将陶瓷型壳在室温下保持24h，再于600℃下进行热处理，使氧化钇溶胶热分解得到氧化钇面层改性涂层，实现陶瓷型壳面层改性。
采用面层内表面改性的陶瓷型壳，经采用TC4钛合金试样浇注，检测铸件表面反应层厚度为65‐83μm，而采用未经面层内表面改性的陶瓷型壳，经采用TC4钛合金试样浇注，检测铸件表面反应层厚度为120‐200μm，改进效果明显。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种钛合金铸造用陶瓷型壳面层改性的方法，其特征在于，通过依次进行面层沾浆、面层淋砂、背层沾浆以及背层淋砂后制成陶瓷型壳，再以氧化钇溶胶对陶瓷型壳面层的内表面进行改性得以实现。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述方法具体为：
①采用α‐Al2O3、电熔刚玉粉或锆英粉中的一种为耐火粉料，并以硅溶胶为粘结剂，配制得到面层浆料；
②在蜡模表面进行陶瓷型壳面层沾浆，以锆英砂作为面层砂进行淋砂，干燥后即得到面层型壳；
③以电熔刚玉粉为耐火材料、以硅溶胶为粘结剂、以电熔刚玉砂为背层砂配置得背层浆料，将陶瓷型壳背层多次沾淋并干燥得到背层型壳；
④将陶瓷型壳进行脱蜡、焙烧后，再把氧化钇溶胶倒入型壳中进行陶瓷型壳面层的内表面改型，将多余的氧化钇溶胶倒出后，对陶瓷型壳进行焙烧，得到可用于钛合金铸造用陶瓷型壳。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的α‐Al2O3，粒度为325目，纯度为99.5wt.％；所述的电熔刚玉粉，粒度为325目，纯度为99.5wt％；所述的锆英粉，粒度为325目，氧化锆含量66.4wt.％，氧化铁含量低于0.06wt.％；所述的锆英砂，粒度为80‐120目，氧化锆含量66.4wt.％，氧化铁含量低于0.06wt.％；所述的电熔莫来石砂，粒度为35目，氧化铝含量72.6wt.％，二氧化硅含量25.6wt.％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的面层浆料，进一步包括分散剂、润湿剂和消泡剂，其中：分散剂采用聚丙烯酸铵，润湿剂采用烷基苯酚与环氧乙烷经缩合物，消泡剂采用有机硅消泡剂。
5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征是，所述的面层浆料中耐火粉料与粘结剂的重量比为(79～85)：(14～29)。
6.根据权利要求2或4所述的方法，其特征是，所述的硅溶胶，为碱性硅溶胶，pH8‐10，二氧化硅含量为30wt.％，二氧化硅粒度为10nm。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的背层浆料中耐火材料与粘结剂的重量比为80：20。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的面层改性是指：将氧化钇溶胶灌注到陶瓷型壳中，保持1h后，将氧化钇溶胶倒出来，再将陶瓷型壳在室温下保持24h，再于600‐800℃下进行热处理，使氧化钇溶胶分解得到氧化钇面层改性涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的氧化钇溶胶为半透明液体，氧化钇含量为30wt.％，水的含量为70wt.％。
10.一种根据上述任一权利要求所述方法制备得到用于钛合金铸造的面层内表面改性的陶瓷型壳，其特征在于，由内而外依次包含：氧化钇溶胶改性层、陶瓷型壳面层和陶瓷型壳背层。
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Denomination of invention: Method of surface modification of ceramic shell for titanium alloy casting

Effective date of registration: 20221025

Granted publication date: 20180413

Pledgee: CITIC Bank Limited by Share Ltd. Shanghai branch

Pledgor: Shanghai Wanze Precision Casting Co.,Ltd.

Registration number: Y2022310000295