CN110125326A - 一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料、面层涂料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料、面层涂料及其制备方法与应用，所述钛合金熔模精密铸造用复合涂料的制备原料包括耐火材料、黏结剂、抗水化剂和调节剂，所述耐火材料包括氧化钇，所述抗水化剂为饱和脂肪酸的衍生物，所述饱和脂肪酸的衍生物的结构式如下式(1)所示：式中，R代表烷基，X和Y分别独立地代表取代基，所述取代基中含有烷基、羟基、苯基或羧基中的一种或多种。所述面层涂料包括上述复合涂料，还包括湿润剂和消泡剂。本发明方案的涂料组分简单、性能稳定、不易出现胶凝、不易遇水回溶、使用寿命长且生产成本低。采用本发明方案涂料制备的氧化钇陶瓷型壳与钛合金反应程度小，形成的α粘污层厚度小。

Description

一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料、面层涂料及其制备方 法与应用

技术领域

本发明涉及合金熔模精密铸造技术领域，具体涉及一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料、面层涂料及其制备方法与应用。

背景技术

钛及钛合金由于具有密度小、比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等系列优异的特性，被广泛地应用于航空航天工业、能源工业、海上运输、化学工业等方面。然而钛及钛合金在高温下具有很高的化学活性，在高温下，钛会与各种气体及常用的耐火材料均发生不同程度的化学反应。液钛与铸型之间的化学反应，不仅会导致钛合金铸件表面存在污染层，影响其使用性能，而且恶化铸件的表面质量，使钛合金在铸造成形过程中存在较大困难。因此，钛合金铸造使用的耐火材料和粘结剂必须具有极高的化学稳定性，以减弱钛液与型壳间的化学反应并降低表面污染层的产生概率。

目前，使用较多的钛合金精密铸造用型壳，大致可分为：石墨型壳、钨面层陶瓷型壳和氧化物陶瓷型壳等。其中，石墨型壳所浇注出来的铸件，在铸件表面上会形成一层渗碳的α脆性层，厚度大约为0.2～0.3mm，这种脆性层极有可能在应力作用下引发裂纹的产生与扩展。同时，石墨型壳的热稳定性也有一定的限度，当石墨与钛液接触，在达到反应激活能的条件下，有可能发生急剧的放热连锁反应，因此，石墨型壳不宜浇注大型复杂钛合金铸件。另外，石墨型壳的收缩率高，约是普通熔模陶瓷型壳的两倍，这极大地影响了熔模石墨型壳钛合金精铸件的精度。钨面层陶瓷型壳在制备时，使用钨粉作为涂料中的填料，钨粉的性能对型壳的品质具有重大的影响，钨粉应具备较高的纯度，杂质含量不能超过规定的标准，氧、碳含量的超标，将影响钛铸件的品质。钨面层熔模型壳必须采用溶剂脱蜡，因而，其制造过程对人体健康有很大的伤害，同时还会造成污染环境。钨面层型壳在还原性气氛下焙烧，脱蜡后沉积在型壳表面上的模料灰分难以被烧掉，在浇注时这些灰分极易与液钛反应从而在铸件表面形成气孔。氧化物陶瓷型壳的面层和邻层涂料中主要使用的是氧化钇、醋酸锆、氧化锆、氧化钙等与钛液反应较少的氧化物，其中，以氧化钇作为填料的面层涂料铸造性能较好，但氧化钇容易发生水化作用，其浆料对pH值变化十分敏感，易胶凝；醋酸锆通常与氧化钇或氧化锆粉配制成料浆后共同使用，然而由于醋酸锆不具有抗水性，使得其与氧化钇或氧化锆粉配置的料浆涂层的稳定性和可靠性均不如硅酸乙酯与硅溶胶的涂层，且在干燥后遇水，还会发生回溶，导致涂层脱落、鼓涨。此外，现有技术中的涂料稳定时间通常只有1～2天，并且涂料温度必须保持低于10℃的低温，增加了工艺控制的复杂性，而且这些缺陷严重影响了涂料的工艺过程及型壳的质量。

基于此，对现有技术中的型壳涂料的配方及其制备方法进行改进具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种不易出现胶凝且不易遇水回溶的钛合金熔模精密铸造用复合涂料。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种上述复合涂料的制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是：提供一种不易出现胶凝且不易遇水回溶的钛合金熔模精密铸造用面层涂料。

本发明所要解决的第四个技术问题是：提供一种上述面层涂料的制备方法。

本发明所要解决的第五个技术问题是：提供一种上述复合涂料的应用。

为了解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料，包括耐火材料、黏结剂、抗水化剂和调节剂，所述抗水化剂为饱和脂肪酸的衍生物，所述饱和脂肪酸的衍生物的结构式如下式(1)所示：

式(1)中，X和Y分别独立地代表取代基，所述取代基中含有烷基、羟基、苯基或羧基中的至少一种；R代表烷基，优选地，所述R代表的是1～6个碳的烷基；更优选地，R代表的是1～3个碳的烷基。

优选地，所述耐火材料包括氧化钇；更优选地，所述电熔氧化钇粉粒度为325目过筛。

进一步地，所述黏结剂为锆溶胶，优选地，所述黏结剂为醋酸锆溶胶。

进一步地，所述调节剂包括pH调节剂和黏度调节剂。

进一步地，pH调节剂用于将所述复合涂料的pH调节至3～3.5，优选地，所述pH调节剂包括甲酸或乙酸中的至少一种。

进一步地，所述黏度调节剂用于将所述复合涂料的黏度调节至20～30s，优选地，所述黏度调节剂为乙醇和丙醇的混合物。

进一步地，所述pH调节剂与粘度调节剂的质量比为(1～2):(2～5)。

本发明的有益效果在于：本发明方案复合涂料制备原料中的抗水剂为饱和脂肪酸的衍生物，具有空间位阻作用，在羧基和有机基团的作用下，可以减弱甚至阻止氧化钇粉体的水化作用，同时，抗水化剂还能阻止锆溶胶等黏结剂与水分子的接触，由于抗水化剂中至少含有一个羧基，在羧基的作用下，锆溶胶中电离出的锆离子易于抗水化剂中的羧基结合，在其空间位阻的作用下，阻止了锆离子与水分子的接触，从而抑制了锆盐与氧化钇或氧化锆粉配置的浆料涂层干燥后发生遇水回溶，进而强化了面层涂层的稳定性。

为了解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料的制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：将黏结剂、抗水化剂、调节剂和耐火材料按质量比为(8～10):(1～1.5):(3～4):(55～60)的比例混合，搅拌后制得所述复合涂料。

进一步地，搅拌时间为10～20min。

本发明的有益效果在于：本发明方案的钛合金熔模精密铸造用复合涂料的制备方法，通过耐火材料的预处理，能够降低耐火材料(尤其是氧化钇粉末)的比表面积，减少粉体的微孔结构，有效减弱其水化作用；抗水化剂具有空间位阻作用，在羧基等多个官能团的协同作用下，抗水化剂能够强力吸附在耐火材料的周围，有效减少粉体颗粒与水分子的接触，可以减弱甚至阻止耐火材料的水化作用；本发明方案室温下搅拌即可，操作简便且条件温和。

为了解决上述第三个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钛合金熔模精密铸造用面层涂料，所述面层涂料包括上述复合涂料，还包括湿润剂和消泡剂。

进一步地，所述湿润剂为脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)。

进一步地，所述消泡剂为仲辛醇。

本发明的有益效果在于：本发明方案的面层涂料组分简单、性能稳定，不易出现胶凝(胶凝时间大于10天)、不易遇水回溶，涂挂临面层浆料回溶时间大于30秒、使用寿命长且生产成本低，另外，制备的氧化钇陶瓷型壳与钛合金反应程度小，形成的α粘污层厚度小。

为了解决上述第四个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钛合金熔模精密铸造用面层涂料的制备方法，包括以下步骤：将复合涂料与润湿剂和消泡剂混合后，搅拌(优选搅拌时间为20～30min)即得所述面层涂料。

优选地，所述复合涂料与润湿剂按1:0.006的质量比混合。

优选地，所述复合涂料与消泡剂按1:0.01的质量比混合。

本发明的有益效果在于：本发明方案制得的面层涂料性能稳定、使用寿命长且生产成本低，使用时间可延长到10天以上，黏度范围均在20s～30s，并且涂料温度为室温，因而在普通的恒温恒湿环境中进行制备和保存即可，简化了涂料配制和保存的工艺控制。

为了解决上述第五个技术问题，本发明采用的技术方案为：一种钛合金熔模精密铸造用型壳，所述型壳的面层固化有含上述复合涂料的面层涂料。

上述型壳的制备方法，包括以下步骤：

S1、涂料制备好后，将清洗干燥后的蜡模涂挂面层涂料；

S2、涂料涂上蜡模后经充分干燥和硬化，再进行背层涂挂；

S3、干燥后脱蜡(脱蜡过程中尽可能的让型腔中的蜡流净，以避免在后面高温焙烧后，型壳中残存多的灰份和残渣)；

S4、将已脱蜡的型壳于高温(900℃-1000℃)下进行焙烧，保温3-5h后冷却取出即得可用于钛合金熔炼浇注的型壳。

本发明的有益效果在于：根据本发明配方制得的涂料组分简单、性能稳定、面层固化有含该复合涂料的制导涂料制得的氧化钇陶瓷型壳与钛合金反应程度小，形成的α粘污层厚度小。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的型壳。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。

本发明实施例一为：一种钛合金熔模精密铸造用面层涂料及其在型壳制备中的应用，包括以下步骤：

(1)配制复合涂料：取电熔氧化钇粉粉180g、醋酸锆25g、3-羟基丁酸3g、醋酸13g、乙醇2g、丙醇3g进行混合，搅拌10分钟即得新型复合涂料；

(2)配制面层涂料：将配好的复合涂料加入1.35gJFC和2.2g仲辛醇剂，继续搅拌30分钟即得面层涂料，室温(25℃)下测定涂料黏度为20s，涂料制备完成。

(3)型壳制备：涂料制备好后，将清洗后的蜡模涂挂面层涂料。其中，涂挂临面层时测得浆料回溶时间为30秒。涂料涂上蜡模后经充分干燥和硬化，再进行背层涂挂。干燥后脱蜡，脱蜡过程中尽可能地让型腔中的蜡流净，以避免在后面高温焙烧后，型壳中残存多的灰份和残渣。将脱蜡后的型壳高温(900℃)下进行煅烧，保温3h后冷却取出，即得到氧化钇面层陶瓷型壳(如图1所示)，可用于Ti-6Al-4V等钛合金铸件熔炼浇注。

实验发现，由本发明实施例制备的面层涂料，涂挂性好，性质稳定，最终浇注的Ti-6Al-4V钛合金铸件表面α污染层厚度≤0.03mm，铸件外观呈银白色金属光泽，表面光洁，合金性能良好。

本发明实施例二为：一种钛合金熔模精密铸造用面层涂料及其在型壳制备中的应用，包括以下步骤：

(1)配制复合涂料：取电熔氧化钇粉粉200g、醋酸锆25g、1,1-苯基羧基丁酸5g、甲酸15g、乙醇4g、丙醇6g进行混合，搅拌10分钟即得新型复合涂料；

(2)配制面层涂料：将配好的复合涂料加入1.53gJFC和2.55g仲辛醇剂，继续搅拌30分钟即得面层涂料，室温(25℃)下测定涂料黏度为21s(通过4号黏度杯测定，涂料制备完成。

(3)型壳制备：涂料制备好后，将清洗后的蜡模涂挂面层涂料。其中，涂挂临面层时测得浆料回溶时间为32秒，涂料涂上蜡模后经充分干燥和硬化，再进行背层涂挂。干燥后脱蜡，脱蜡过程中尽可能地让型腔中的蜡流净，以避免在后面高温焙烧后，型壳中残存多的灰份和残渣。将脱蜡后的型壳高温(900℃)下进行煅烧，保温3h后冷却取出，即得到氧化钇面层陶瓷型壳，可用于Ti-6Al-4V等钛合金铸件熔炼浇注。

实验发现，由本发明实施例制备的面层涂料，涂挂性好，性质稳定，最终浇注的Ti-6Al-4V钛合金铸件表面α污染层厚度≤0.03mm，铸件外观呈银白色金属光泽，表面光洁，合金性能良好。

本发明实施例三为：一种钛合金熔模精密铸造用面层涂料及其在型壳制备中的应用，包括以下步骤：

(1)配制复合涂料：取电熔氧化钇粉粉180g、醋酸锆30g、4-甲基己酸3g、甲酸10g、乙醇2g、丙醇4g进行混合，搅拌10分钟即得新型复合涂料；

(2)配制面层涂料：将配好的复合涂料加入1.37gJFC和2.3g仲辛醇剂，继续搅拌30分钟即得面层涂料，室温(25℃)下测定涂料黏度为21s(通过4号黏度杯测定，涂料制备完成。

(3)型壳制备：涂料制备好后，将清洗后的蜡模涂挂面层涂料。其中，涂挂临面层时测得浆料回溶时间为35秒，涂料涂上蜡模后经充分干燥和硬化，再进行背层涂挂。干燥后脱蜡，脱蜡过程中尽可能地让型腔中的蜡流净，以避免在后面高温焙烧后，型壳中残存多的灰份和残渣。将脱蜡后的型壳高温(900℃)下进行煅烧，保温3h后冷却取出，即得到氧化钇面层陶瓷型壳，可用于Ti-6Al-4V等钛合金铸件熔炼浇注。

实验发现，由本发明实施例制备的面层涂料，涂挂性好，性质稳定，最终浇注的Ti-6Al-4V钛合金铸件表面α污染层厚度≤0.03mm，铸件外观呈银白色金属光泽，表面光洁，合金性能良好。

本发明对照例1与实施例1的区别在于：将3-羟基丁酸替换成3-甲氧基丁酸，其他操作相同。

粘度测试：

取实施例1～3及对照例1制得的面层涂料进行粘度测试，通过4号黏度杯测定，每隔8h测试一次，测试数据如下表1所示：

表1

从表1中可以看出，本发明实施例1～3制得的面层涂料的黏度随着时间增加上升的并不快，且实施例3制得的面层涂料13天后的黏度仍然只有26s；而对比例1制得的面层涂料在第8天就开始出现凝胶现象。由此表明，本发明方案的抗水化剂对面层涂料的稳定性具有重要影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种钛合金熔模精密铸造用复合涂料，其特征在于：包括耐火材料、黏结剂、抗水化剂和调节剂，所述抗水化剂为饱和脂肪酸的衍生物，所述饱和脂肪酸的衍生物的结构式如下式(1)所示：

式(1)中，X和Y分别独立地代表取代基，所述取代基中含有烷基、羟基、苯基或羧基中的至少一种；R代表烷基，优选地，所述R代表的是1～6个碳的烷基；更优选地，R代表的是1～3个碳的烷基。

2.根据权利要求1所述的钛合金熔模精密铸造用复合涂料，其特征在于：所述耐火材料包括氧化钇。

3.根据权利要求1所述的钛合金熔模精密铸造用复合涂料，其特征在于：所述黏结剂为锆溶胶，优选地，所述黏结剂为醋酸锆溶胶。

4.根据权利要求1所述的钛合金熔模精密铸造用复合涂料，其特征在于：所述调节剂包括pH调节剂和黏度调节剂。

5.根据权利要求4所述的钛合金熔模精密铸造用复合涂料，其特征在于：所述pH调节剂用于将所述复合涂料的pH调节至3～3.5，优选地，所述pH调节剂包括甲酸或乙酸中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的钛合金熔模精密铸造用复合涂料，其特征在于：所述黏度调节剂用于将所述复合涂料的黏度调节至20～30s，优选地，所述黏度调节剂为乙醇和丙醇的混合物。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的钛合金熔模精密铸造用复合涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将黏结剂、抗水化剂、调节剂和耐火材料按质量比为(8～10):(1～1.5):(3～4):(55～60)的比例混合，搅拌后制得所述复合涂料。

8.一种钛合金熔模精密铸造用面层涂料，其特征在于：所述面层涂料包括如权利要求1-6任一项所述的复合涂料，还包括湿润剂和消泡剂。

9.一种如权利要求8所述的钛合金熔模精密铸造用面层涂料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将润湿剂和消泡剂加入到所述复合涂料中，搅拌即得所述面层涂料。

10.一种钛合金熔模精密铸造用型壳，其特征在于：所述型壳的面层固化有含如权利要求1-6任一项所述复合涂料的面层涂料。