CN110227797B - 用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钛合金铸造技术领域，特别是用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺及设备。用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺包括以下步骤：S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层。该工艺利用三维打印各种形状的型壳，且采用特殊工艺制备陶瓷型壳完成钛合金铸造，使得钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患。本发明还提供了一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备中的设备，主要用于实现上述的工艺过程，生产效率高、成本低，值得推广使用。

Description

用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺
技术领域
本发明涉及钛合金铸造技术领域，特别是用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺。
背景技术
钛合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀的特点，被广泛应用于航空航天、舰船、钻井平台等领域的关键零部件上。目前的生产方式有3种：型材直接加工；熔模铸造；砂型铸造。由于钛合金强度高、硬度大，难以直接加工。且钛合金熔融温度高，非常活泼，几乎和大部分氧化物反应，铸造工艺复杂，成本高。其中，熔模铸造采用蜡型-陶瓷形壳-失蜡-浇铸-后处理-铸件的工艺路线，真空热壳离心浇铸，适用于大型、薄壁、复杂结构零件，典型应用如叶片、导叶、机匣、结构件等。砂型铸造采用石墨砂型（CNC或模具成型）-浇铸-后处理-铸件的工艺路线，真空或低压气体保护浇铸，适用于大型、厚大、相对简单结构零件，主要应用于舰船、钻井平台等海洋工程领域中。熔模铸造工艺路线相对复杂，由于热壳浇铸，薄壁、细小复杂特征也可较易充型。砂型铸造相对工艺路线简单，由于冷模浇铸，适用大型、厚大件，同时石墨材料成本较高，石墨砂型铸造制作过程粉尘污染大，加工难度较高。
喷墨粘接三维打印砂型是国外公司在1999年发明的一种铸造砂型生产新工艺，它的工艺原理如下：通过将3D数据切片，得到二维截面组。然后铺设粉床，通过喷墨打印头喷射粘接剂将特定截面粘接；粉床下降一个薄片层厚；重复上述过程，逐层堆积，直到完成所有截面的打印。最后从粉块中取出打印好的零件，去除表面未粘接的粉末，即可得到最终打印完成的砂型零件。经过近二十年的发展，粘接剂以从早期的呋喃粘接剂（ODB），发展到酚醛粘接剂（PDB），以及无机粘接剂（IOB）；粉料也从石英砂（SiO2），发展到宝珠砂、红柱石、铬铁矿砂及氧化锆、三氧化二铝、碳化硅等陶瓷粉末材料。喷墨粘接三维打印可以无模化生产任意复杂度的砂型，生产效率高，成本低，砂型性能和传统工艺几乎一致，已被广泛应用于铸件快速开发和批量生产。若是将喷墨粘接三维打印砂型用于钛合金铸件的生产，可以替代昂贵的石墨材料，同时其无模化的特性可以生产更为复杂的零件，结合目前快速发展的轻量化设计技术，有着广泛的市场前景。但是，用喷墨粘接三维打印砂型替代传统工艺生产的石墨砂型用于钛合金铸造的主要困难是钛合金非常活泼，钛合金金属液和除惰性气体以外的其他气体（氧气、水蒸气、有机物汽化气体等）剧烈反应，同时钛合金金属液和铸型表面（刚玉Al2O3、石英SiO2等耐火材料）剧烈反应，甚至爆炸。因此，至今还没有一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺的相关技术研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，利用三维打印各种形状的型壳，且采用特殊工艺制备陶瓷型壳完成钛合金铸造，使得钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患；还提供了一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备中的设备，主要用于实现上述的工艺过程，生产效率高、成本低，值得推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺包括以下步骤：
S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；
S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；
S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层。
前述的用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，所述步骤S1具体包括以下过程：利用真空浸渗装置在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，在相对湿度为40％-70％，温度为15℃-30℃，自然硬化4-6小时干燥形成结合层。
前述的用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，其中料浆成分是重量比为 12-6:1-4的硅溶胶和莫来石粉末，料浆粘度为2秒-6秒。
前述的用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，所述步骤S2具体包括以下过程：重量比为0.5-2：1.5-3.5的钇溶胶和氧化锆粉配成料浆，在三维打印砂型型腔结合层表面均匀涂覆，料浆粘度为13秒-30秒，相对湿度为55％-80％，温度为14℃-30℃，自然硬化 2-8小时干燥形成过渡层。
前述的用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，所述步骤S3具体包括以下过程：重量比为0.5-2：2-6的钇溶胶和氧化锆粉配制成料浆，在三维打印砂型型腔过渡层表面均匀涂覆，料浆粘度为15秒-50秒，相对湿度为55％-80％，温度为115℃-32℃，自然硬化 2.5-9小时干燥形成面层。
前述的用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，步骤S3完成后，焙烧已形成结合层、过渡层、面层的三维打印砂型型壳。
用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺中的设备，用于制备前述的结合层，所述设备为真空浸渗装置，具体包括真空箱、电动机、卷筒、吊索、吊篮、管道、真空泵，所述真空箱的底部铺设有料浆，真空箱的侧面经管道连接有真空泵，所述真空箱内的料浆上方还设有吊篮，多个三维打印砂型置于吊篮上，吊篮的顶部经吊索与卷筒连接，卷筒与电动机连接；吊索的端部固定缠绕于卷筒上，卷筒和电动机均设于真空箱外侧顶部。其中管道与真空泵使得真空箱内保持真空状态，通过电动机与卷筒控制吊索的升降，进而带动吊篮进入或者离开料浆区；当吊篮进入料浆内，此时在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，然后将吊篮移出真空箱，干燥形成结合层。
前述的用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺中的设备，所述真空箱的顶部还设有放气阀。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、本发明通过在砂型表面浸渍硅溶胶超微细莫来石粉等无机粘接剂形成结合层，砂型高温烧结后在表面形成一定厚度的陶瓷型壳，具有良好的热强度，能够用于钛合金铸造；
2、针对钛合金和铸型剧烈反应的问题，本发明对砂型型腔表面结合层上涂覆特殊惰性材料涂料进一步形成过渡层和面层，用来阻隔钛合金和砂型的直接反应；
3、本发明利用三维打印各种形状的型壳，且采用特殊工艺制备陶瓷型壳完成钛合金铸造，使得钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患；
4、本发明还提供了一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备中的设备，主要用于实现上述的工艺过程，生产效率高、成本低，值得推广使用。
附图说明
图1是本发明的工艺流程简图；
图2是本发明中真空浸渗装置的结构示意图；
图3是本发明中三维打印砂型与结合层、过渡层、面层相结合的结构示意图。
附图标记的含义：1-真空箱，2-电动机，3-卷筒，4-吊索，5-吊篮，6-放气阀，7-管道， 8-真空泵。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的实施例1：如图1和图3所示，一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺包括以下步骤：
S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；
S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；
S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层。
实施例2：如图1和图3所示，一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺包括以下步骤：
S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；具体包括以下过程：利用真空浸渗装置在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，在相对湿度为40％-70％，温度为15℃-30℃，自然硬化4-6小时干燥形成结合层。其中料浆成分是重量比为12-6:1-4的硅溶胶和莫来石粉末，料浆粘度为2秒-6秒。
S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；具体包括以下过程：重量比为0.5-2：1.5-3.5的钇溶胶和氧化锆粉配成料浆，在三维打印砂型型腔结合层表面均匀涂覆，料浆粘度为13秒-30秒，相对湿度为55％-80％，温度为14℃-30℃，自然硬化2-8小时干燥形成过渡层。
S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层。具体包括以下过程：重量比为 0.5-2：2-6的钇溶胶和氧化锆粉配制成料浆，在三维打印砂型型腔过渡层表面均匀涂覆，料浆粘度为15秒-50秒，相对湿度为55％-80％，温度为115℃-32℃，自然硬化2.5-9小时干燥形成面层。步骤S3完成后，焙烧已形成结合层、过渡层、面层的三维打印砂型型壳。
实施例3：如图1和图3所示，一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺包括以下步骤：
S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；具体包括以下过程：利用真空浸渗装置在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，当相对湿度为50％-60％，温度为18℃-26℃，料浆自然硬化3-5小时直至完全干燥，制备出的结合层厚度为5-10㎜时，各项性能参数更佳。真空浸渗装置能够使料浆更为顺利的进入疏松的三维打印砂型表面。莫来石粉末为10微米以下的超微细莫来石粉末，硅溶胶和莫来石粉末的重量比为8：1，料浆粘度控制在3秒-5秒(6号量杯)，料浆自然硬化直至完全干燥时，制备出的结合层更佳。
S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；具体包括以下过程：重量比为1：2.5的钇溶胶和氧化锆粉(200目)配成料浆，在三维打印砂型型腔结合层表面均匀涂覆，料浆的粘度为18秒-25秒(6号量杯)，相对湿度为70％-75％，温度为18℃-24℃，自然硬化4-6小时干燥形成的过渡层更佳。
S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层。具体包括以下过程：重量比为 1：4的钇溶胶和氧化锆粉(325目)配制成料浆，在三维打印砂型型腔过渡层表面均匀涂覆，料浆粘度为30秒-35秒(6号量杯)，相对湿度为70％-75％，温度为18℃-24℃，自然硬化4-6小时干燥形成的面层更佳。步骤S3完成后，焙烧已形成结合层、过渡层、面层的三维打印砂型型壳。
实施例4：如图1和图3所示，一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺包括以下步骤：
S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；具体包括以下过程：利用真空浸渗装置在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，当相对湿度为57％，温度为20℃，料浆自然硬化4.5小时直至完全干燥，制备出的结合层厚度为8-9㎜时，各项性能参数更佳。真空浸渗装置能够使料浆更为顺利的进入疏松的三维打印砂型表面。莫来石粉末为10微米以下的超微细莫来石粉末，硅溶胶和莫来石粉末的重量比为 8：1，料浆粘度控制在5秒(6号量杯)，料浆自然硬化直至完全干燥时，制备出的结合层更佳。
S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；具体包括以下过程：重量比为1：2.5的钇溶胶和氧化锆粉(200目)配成料浆，在三维打印砂型型腔结合层表面均匀涂覆，料浆的粘度为21秒(6号量杯)，相对湿度为74％，温度为23℃，自然硬化4.5小时干燥形成的过渡层更佳。
S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层。具体包括以下过程：重量比为 1：4的钇溶胶和氧化锆粉(325目)配制成料浆，在三维打印砂型型腔过渡层表面均匀涂覆，料浆粘度为34秒(6号量杯)，相对湿度为71％，温度为21℃，自然硬化4小时干燥形成的面层更佳。步骤S3完成后，焙烧已形成结合层、过渡层、面层的三维打印砂型型壳。
实施例5：如图2所示，用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺中的设备，用于制备前述的结合层，所述设备为真空浸渗装置，具体包括真空箱1、电动机2、卷筒3、吊索4、吊篮5、管道7、真空泵8，所述真空箱1的底部铺设有料浆，真空箱1的侧面经管道 7连接有真空泵8，所述真空箱1内的料浆上方还设有吊篮5，多个三维打印砂型置于吊篮5 上，吊篮5的顶部经吊索4与卷筒3连接，卷筒3与电动机2连接；吊索4的端部固定缠绕于卷筒3上，卷筒3和电动机2均设于真空箱1外侧顶部。所述真空箱1的顶部还设有放气阀6。其中管道7与真空泵8使得真空箱1内保持真空状态，通过电动机2与卷筒3控制吊索4的升降，进而带动吊篮5进入或者离开料浆区；当吊篮5进入料浆内，此时在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，然后将吊篮5移出真空箱1，干燥形成结合层。
本发明的工作原理：本发明通过在砂型表面浸渍硅溶胶超微细莫来石粉等无机粘接剂形成结合层，砂型高温烧结后在表面形成一定厚度的陶瓷型壳，具有良好的热强度，能够用于钛合金铸造；针对钛合金和铸型剧烈反应的问题，本发明对砂型型腔表面结合层上涂覆特殊惰性材料涂料比如氧化钇、氧化锆等进一步形成过渡层和面层，用来阻隔钛合金和砂型的直接反应。本申请采用砂型逆向制壳工艺，通过三维打印砂型，重复沾浆、淋砂、干燥，依次做出结合层、过渡层、面层，然后型壳焙烧、浇铸、后处理，最终得到钛合金铸件，适合大型复杂高温合金钛合金铸件。
如图2所示，制备结合层的真空浸渗装置，管道7与真空泵8使得真空箱1内保持真空状态，通过电动机2与卷筒3控制吊索4的升降，进而带动吊篮5进入或者离开料浆区；当吊篮5进入料浆内，此时在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，然后将吊篮5移出真空箱1，干燥形成结合层。

Claims (1)

1.一种用于钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将喷墨粘接三维打印砂型进行真空浸渗，形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；
S2，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；
S3，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层；
其中，所述步骤S1具体包括以下过程：利用真空浸渗装置在三维打印砂型的表面均匀吸附渗透料浆，在相对湿度为57%，温度为20℃，自然硬化4.5小时干燥形成结合层；其中料浆成分是重量比为8:1的硅溶胶和莫来石粉末，料浆粘度为5秒；
所述步骤S2具体包括以下过程：重量比为1：2.5的钇溶胶和氧化锆粉配成料浆，在三维打印砂型型腔结合层表面均匀涂覆，料浆粘度为21秒，相对湿度为74%，温度为23℃，自然硬化4.5小时干燥形成过渡层；
所述步骤S3具体包括以下过程：重量比为1：4的钇溶胶和氧化锆粉配制成料浆，在三维打印砂型型腔过渡层表面均匀涂覆，料浆粘度为34秒，相对湿度为71%，温度为21℃，自然硬化4小时干燥形成面层；
步骤S3完成后，焙烧已形成结合层、过渡层、面层的三维打印砂型型壳。
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