CN110280717A - 一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金铸造技术领域，特别是一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺。该工艺包括以下步骤：S1，喷墨粘接三维打印砂型；S2，真空浸渗形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；S4，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层；S5，焙烧；S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，得到钛合金铸件。本发明采用一种新型的工艺思路，能够无模化生产任意复杂度的砂型，还可用于钛合金铸造，使得钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患，且生产效率高、成本低，值得推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金铸造技术领域，特别是一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺。
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。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，采用一种新型的工艺思路，能够无模化生产任意复杂度的砂型，还可用于钛合金铸造，使得钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患，且生产效率高、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：
一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺包括以下步骤：
S1，喷墨粘接三维打印砂型；
S2，真空浸渗形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；
S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；
S4，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层；
S5，焙烧；
S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，得到钛合金铸件。
前述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，所述步骤S1具体包括以下过程：砂型设计成中空型壳，型壳壁厚为5mm-20mm，型壳内部的散沙不清理；在型壳壁上预留一个或多个排气孔，排气孔用蜡密封。其中未清理的散沙对壳层形成支撑作用，同时保持良好的透气性。在型壳壁上预留排气孔，清理掉型壳表面的浮沙后用蜡密封预留的排气孔。
前述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，所述步骤S2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。其中真空浸渗装置是一种常见的工业设备，目的是为了使料浆能够更为顺利的进入疏松的三维打印砂型表面。
前述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，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。
前述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，所述步骤S3具体包括以下过程：重量比为0.5-2：1.5-3.5的钇溶胶和氧化钇粉配成料浆，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。
前述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，所述步骤S4具体包括以下过程：重量比为0.5-2：2-6的钇溶胶和氧化钇粉配制成料浆，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。
前述喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，所述步骤S5具体包括以下过程：焙烧分为三个阶段，第一阶段，从室温升到T1，保温N1分钟，用于排气；第二阶段，从T1升到T2，保温N2分钟，烧树脂排气；第三阶段，从T2升到T3，保温N3分钟，烧结三维打印砂型型壳；其中的T1为200-350℃，N1为30-60分钟，T2为500-800℃，N2为30-120分钟，T3为900-1300℃，N3为60-180分钟。具体选用的焙烧温度和保温时间取决于型壳的厚度和尺寸，厚度和尺寸大的型壳需要更高的温度和更长的时间；还取决于粘接料浆的工作温度，比如其中的莫来石粉末的工作温度。
前述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，所述步骤S6具体包括以下过程：热壳浇铸或者三维打印砂型型壳冷却后再加热浇铸，进而得到钛合金铸件。一般情况采用热壳浇铸，可以避免冷却造成的型壳开裂问题。对于一些复杂形状型壳，采用三维打印砂型型壳冷却后再加热浇铸，需要在浇铸前检查型壳的质量。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、采用三维打印砂型可以无模化制造带排气孔等排气系统的型壳，大大减少了焙烧过程中气体的排放；
2、针对钛合金易和气体反应的问题，本发明将三维打印砂型高温焙烧除去三维打印砂型中含有的所有气体和水蒸汽；
3、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；
4、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，使得钛合金铸造过程安全、稳定、无隐患；
5、本发明设计了一种逆向制壳精密铸造工艺，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，生产效率高、成本低，适合大型复杂高温合金钛合金铸件，值得推广应用。
附图说明
图1是本发明的工艺流程简图；
图2是本发明中三维打印砂型的一种结构示意图；
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；
图4是本发明中一种实施例的焙烧曲线图。
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-图3所示，一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺包括以下步骤：
S1，喷墨粘接三维打印砂型；
S2，真空浸渗形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；
S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；
S4，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层；
S5，焙烧；
S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，得到钛合金铸件。
实施例2：如图1-图3所示，一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺包括以下步骤：
S1，喷墨粘接三维打印砂型，具体包括以下过程：砂型设计成中空型壳，型壳壁厚为5mm-20mm，型壳内部的散沙不清理；在型壳壁上预留一个或多个排气孔，排气孔用蜡密封。其中未清理的散沙对壳层形成支撑作用，同时保持良好的透气性。
S2，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。其中真空浸渗装置是一种常见的工业设备，目的是为了使料浆能够更为顺利的进入疏松的三维打印砂型表面。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。
S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；具体的，重量比为0.5-2：1.5-3.5的钇溶胶和氧化钇粉配成料浆，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小时干燥形成厚度为1㎜以下的过渡层。另外，其中的氧化钇粉还可用氧化锆粉替换，效果相同。
S4，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的钇溶胶和氧化钇粉配制成料浆，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。另外，其中的氧化钇粉还可用氧化锆粉替换，效果相同。
焙烧前去除三维打印砂型型壳壁上排气孔表面的涂料。
S5，焙烧；具体包括以下过程：焙烧分为三个阶段，第一阶段，从室温升到T1，保温N1分钟，用于排气；第二阶段，从T1升到T2，保温N2分钟，烧树脂排气；第三阶段，从T2升到T3，保温N3分钟，烧结三维打印砂型型壳；其中的T1为200-350℃，N1为30-60分钟，T2为500-800℃，N2为30-120分钟，T3为900-1300℃，N3为60-180分钟。
S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，砂型内部的散沙在浇铸完成后随型壳清理，得到钛合金铸件。具体包括以下过程：热壳浇铸或者三维打印砂型型壳冷却后再加热浇铸，进而得到钛合金铸件。
实施例3：如图1-图3所示，一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺包括以下步骤：
S1，喷墨粘接三维打印砂型，具体包括以下过程：砂型设计成中空型壳，型壳壁厚为5mm-20mm，型壳内部的散沙不清理；在型壳壁上预留一个或多个排气孔，排气孔用蜡密封。其中未清理的散沙对壳层形成支撑作用，同时保持良好的透气性。结合说明书附图图2所示，其中型壳的壁厚平均为10mm-20mm，且最小壁厚为5mm；在型壳壁上预留排气孔，清理掉型壳表面的浮沙后用蜡密封预留的排气孔。
S2，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，此时形成的结合层更佳。结合层的厚度为5-10㎜。其中真空浸渗装置是一种常见的工业设备，目的是为了使料浆能够更为顺利的进入疏松的三维打印砂型表面。对于料浆成分，当莫来石粉末为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，此时形成的结合层各项性能参数更好。
S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成厚度为1㎜以下的过渡层；具体的，当重量比为1：2.5的钇溶胶和氧化钇粉(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。另外，其中的氧化钇粉还可用氧化锆粉替换，效果相同。
S4，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成厚度为1㎜以下的面层；具体包括以下过程：重量比为1：4的钇溶胶和氧化钇粉(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各项性能参数更好。另外，其中的氧化钇粉还可用氧化锆粉替换，效果相同。
焙烧前去除三维打印砂型型壳壁上排气孔表面的涂料。
S5，焙烧；具体包括以下过程：焙烧分为三个阶段，第一阶段，从室温升到T1，保温N1分钟，用于排气；第二阶段，从T1升到T2，保温N2分钟，烧树脂排气；第三阶段，从T2升到T3，保温N3分钟，烧结三维打印砂型型壳；其中的T1为200-350℃，N1为30-60分钟，T2为500-800℃，N2为30-120分钟，T3为900-1300℃，N3为60-180分钟。具体选用的焙烧温度和保温时间取决于型壳的厚度和尺寸，厚度和尺寸大的型壳需要更高的温度和更长的时间；还取决于粘接料浆的工作温度，比如其中的莫来石粉末的工作温度。
S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，得到钛合金铸件。具体包括以下过程：热壳浇铸或者三维打印砂型型壳冷却后再加热浇铸，进而得到钛合金铸件。一般情况采用热壳浇铸，可以避免冷却造成的型壳开裂问题。对于一些复杂形状型壳，采用三维打印砂型型壳冷却后再加热浇铸，需要在浇铸前检查型壳的质量。
实施例4：一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺包括以下步骤：
S1，喷墨粘接三维打印砂型如图2，具体包括以下过程：砂型设计成中空型壳，型壳壁厚为5mm-20mm，型壳内部的散沙不清理；如图2所示，在型壳壁上预留两个排气孔，排气孔用蜡密封。其中未清理的散沙对壳层形成支撑作用，同时保持良好的透气性。结合图2所示，其中型壳的壁厚平均为10mm-20mm，且最小壁厚为5mm；在型壳壁上预留排气孔，清理掉型壳表面的浮沙后用蜡密封预留的排气孔。
S2，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55％，温度为24℃，料浆自然硬化4小时直至完全干燥，此时形成的结合层更佳。结合层的厚度为6-8㎜。其中真空浸渗装置是一种常见的工业设备，目的是为了使料浆能够更为顺利的进入疏松的三维打印砂型表面。对于料浆成分，当莫来石粉末为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4秒(6号量杯)，料浆自然硬化直至完全干燥，此时形成的结合层各项性能参数更好。
S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成厚度为1㎜以下的过渡层；具体的，当重量比为1：2.5的钇溶胶和氧化钇粉(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23秒(6号量杯)，相对湿度为73％，温度为22℃，自然硬化5小时干燥形成的过渡层更佳。另外，其中的氧化钇粉还可用氧化锆粉替换，效果相同。
S4，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成厚度为1㎜以下的面层；具体包括以下过程：重量比为1：4的钇溶胶和氧化钇粉(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33秒(6号量杯)，相对湿度为74％，温度为20℃，自然硬化5小时干燥形成的面层各项性能参数更好。另外，其中的氧化钇粉还可用氧化锆粉替换，效果相同。
焙烧前去除三维打印砂型型壳壁上排气孔表面的涂料。
S5，焙烧；如图4所示，具体包括以下过程：焙烧分为三个阶段，第一阶段，从室温升到300℃，保温30分钟，用于排气；第二阶段，从300℃升到600℃，保温40分钟，烧树脂排气；第三阶段，从600℃升到1100℃，保温1小时，烧结三维打印砂型型壳。
S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，采用热壳浇铸得到钛合金铸件。采用热壳浇铸可以避免冷却造成的型壳开裂问题。
本发明的工作原理：采用三维打印砂型无模化制造带排气孔等排气系统的型壳，大大减少了焙烧过程中气体的排放；针对钛合金易和气体反应的问题，本发明将三维打印砂型高温焙烧除去三维打印砂型中含有的所有气体和水蒸汽；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。传统熔模铸造蜡型，重复沾浆、淋砂、干燥，依次做出面层、过渡层、背层，然后脱蜡，型壳焙烧、浇铸、后处理，得到最终铸件。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。
Claims (8)
1.一种喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1，喷墨粘接三维打印砂型；
S2，真空浸渗形成三维打印砂型型腔结合层，并做干燥处理；
S3，在型腔结合层表面涂覆有惰性材料涂料，形成过渡层；
S4，在型腔过渡层表面涂覆有惰性材料涂料，形成面层；
S5，焙烧；
S6，将烧结的砂型放在真空浇铸机中，在真空状态下浇入钛合金金属液，得到钛合金铸件。
2.根据权利要求1所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下过程：砂型设计成中空型壳，型壳壁厚为5mm-20mm，型壳内部的散沙不清理；在型壳壁上预留一个或多个排气孔，排气孔用蜡密封。
3.根据权利要求1所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，所述步骤S2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。
4.根据权利要求3所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下过程：重量比为0.5-2：1.5-3.5的钇溶胶和氧化钇粉配成料浆，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。
6.根据权利要求1所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下过程：重量比为0.5-2：2-6的钇溶胶和氧化钇粉配制成料浆，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。
7.根据权利要求1所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下过程：焙烧分为三个阶段，第一阶段，从室温升到T1，保温N1分钟，用于排气；第二阶段，从T1升到T2，保温N2分钟，烧树脂排气；第三阶段，从T2升到T3，保温N3分钟，烧结三维打印砂型型壳；其中的T1为200-350℃，N1为30-60分钟，T2为500-800℃，N2为30-120分钟，T3为900-1300℃，N3为60-180分钟。
8.根据权利要求1所述的喷墨粘接三维打印砂型钛合金铸造工艺，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下过程：热壳浇铸或者三维打印砂型型壳冷却后再加热浇铸，进而得到钛合金铸件。
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