CN110465625B

CN110465625B - 一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法

Info

Publication number: CN110465625B
Application number: CN201910856711.1A
Authority: CN
Inventors: 郑伟; 申健; 卢玉章; 谢光; 张功; 董加胜; 楼琅洪; 张健
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: CN110465625A

Abstract

本发明公开了一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，属于陶瓷型壳制备技术领域。型壳制备方法首先采用底注式浇注系统进行蜡模组合，然后制备面层浆料和加固层浆料，再依次进行型壳的涂挂、型壳的脱蜡和型壳的培烧；其中：采用底注式浇注系统进行蜡模组合时，在底注式浇注系统的底部横浇道内放置过滤网；在制备面层浆料时，面层料浆的组成为：刚玉粉EC95、硅溶胶830、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇；其中刚玉粉EC95是由粒度W28的EC95与粒度W14的EC95按照1:1的重量比例混合而成。本发明方法能够减轻铸件物理粘砂倾向，改善铸件表面质量，提高铸件合格率。

Description

一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷型壳制备技术领域，具体涉及一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法。

背景技术

精密铸造技术是制备航空发动机涡轮叶片的重要方法之一。高温合金精密铸造过程中，陶瓷型壳材料在1500℃以上的高温下浸泡在合金熔体中，时长数十分钟甚至一小时以上。近年来，随着高温合金成分设计的越来越复杂，工艺要求越来越苛刻，高温合金熔体与陶瓷型壳的界面反应问题逐渐显现出来。

熔模铸造过程中，型壳作为一个“容器”充满了熔融金属。熔融金属与型壳之间的界面相互作用有热机械渗透以及热物理化学作用，对铸件内部和外观质量均有影响。例如，合金熔体侵蚀型壳表面，破坏面层颗粒与背层颗粒之间的结合，导致面层颗粒进入合金熔体中，造成铸件表面夹杂缺陷。另外，合金熔体在凝固过程中会在铸件表面产生很大应力，强度偏低的型壳面层脱落，黏附在铸件表面，造成铸件表面黏砂缺陷，轻则使铸件表面粗糙，重则使金属与型砂形成混合物，牢牢地黏附于铸件表面，增大铸件的清理工作量。通常情况下，陶瓷型壳表面并不是完全致密的，分布有大量的孔隙，合金熔体与陶瓷型壳之间的渗透与合金/型壳的润湿性都极易引发铸件产生物理粘砂。

因此，探索一种新工艺优化型壳面层，改善铸件物理粘砂倾向，制备一种新型高温合金铸造用陶瓷型壳成为了科研生产中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，该方法能够减轻铸件物理粘砂倾向，改善铸件表面质量，提高铸件合格率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，该方法首先采用底注式浇注系统进行蜡模组合，然后制备面层浆料和加固层浆料，再依次进行型壳的涂挂、型壳的脱蜡和型壳的培烧；其中：采用底注式浇注系统进行蜡模组合时，在底注式浇注系统的底部横浇道内放置过滤网；在制备面层浆料时，面层料浆的组成为：刚玉粉EC95、硅溶胶830、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇；其中刚玉粉EC95是由粒度W28的EC95与粒度W14的EC95按照1:1的重量比例混合而成。

所述过滤网放置于底部横浇道内的中部横截面的位置，过滤网的网孔孔径为50PPI。所述过滤网的材质为纯刚玉。

本发明制备方法具体包括如下步骤：

(1)蜡模组合：蜡模组合时采用底注式浇注系统，并在底部横浇道内部放置过滤网；

(2)面层料浆配置：

面层料浆中：EC95的总重量与硅溶胶的重量比例为(3.5～4.25)：1，润湿剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％，消泡剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％；

面层浆料的制备过程为：

将硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例依次加入润湿剂和消泡剂，然后在搅拌条件下加入EC95(W28)和EC95(W14)，继续搅拌2小时以上；搅拌过程中测量粘度1-2次；将搅拌后的混合物料倒入另一涂料桶内继续搅拌24小时后得到面层料浆，备用；面层料浆的粘度控制在35～40s；

(3)加固层料浆配制：

加固层料浆组成为EC95(粒度W28)、硅溶胶1430、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇；其中：硅溶胶与EC95(粒度W28)的重量比例为1：(1.5～1.75)，润湿剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％，消泡剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％；所述加固层料浆的制备过程为：将硅溶胶倒入涂料桶内，再依次加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入EC95(W28)，继续搅拌2小时后备用；搅拌中测量粘度1-2次，加固层料浆的粘度控制在12～18s；

(4)撒砂材料的配置：

撒砂材料为EC95砂，撒砂材料的粒度分别为80#、60#、46#、24#；

(5)型壳的涂挂操作：

蜡型首先采用面层料浆涂挂第1层作为面层，粘度控制在35～40s，撒砂为EC95砂；然后采用加固层料浆涂挂第2-6层作为加固层，粘度控制在12～18s，撒砂为EC95砂；最后再采用加固层料浆涂挂第7层，粘度控制在12～18s，不撒砂；

(6)型壳的脱蜡：

将制备好的型壳用脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6～0.7MPa，温度165～170℃，脱蜡时间为15～20分钟；

(7)型壳的焙烧：

型壳平放在电炉底板上，焙烧温度为880-920℃，焙烧时间≥2小时，允许低于500℃入炉，到保温时间后允许开炉门降温。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明在制备定向凝固用高温合金陶瓷型壳时，首先优化型壳粉粒度搭配，其次优化浇注系统设计，在底部横浇道增加小过滤网，进而优化型壳表面质量，减轻金属液对型壳面层的直接冲击，进而减轻铸件物理粘砂倾向。

2、本发明在制备型壳时，采用底注式浇注系统，将纯刚玉材料的过滤网放置于底部横浇道内的中部横截面的位置，过滤网的网孔孔径为50PPI；该设计使得在金属熔体浇注时，一方面减缓金属液对型壳面层的直接冲击，另一方面能够减小金属夹杂；因金属液长时停留于横浇道中，易增加金属液内杂质含量，纯钢玉材质的过滤网则能避免这一情况的发明，从而提高铸件表面及整体质量。

3、本发明在配置面层浆料和加固层浆料时，对其中使用的EC95的粒度进行优化，当面层浆料中EC95由两种粒度W28和W14按照1:1的重量比例混合；同时加固层中刚玉粉EC95的粒度为W28时，制备的陶瓷型壳的表面光滑，粗糙度小，浇注后面层无粘砂情况，即改善了型壳面层的物料粘砂情况。

4、本发明型壳的焙烧温度为880-920℃，对于航空发动机涡轮叶片型壳而言，采用较高温度进行焙烧，能够进一步除去型壳中杂质，进而提高铸件质量。

附图说明

图1为用对比例1工艺制备的型壳浇注所得铸件。

图2为用对比例2工艺制备的型壳浇注所得铸件。

图3为用实施例1工艺制备的型壳浇注所得铸件。

图4为某型号单晶叶片试验件经实施例2工艺改进前后铸件表面质量对比。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

以下实施例中，采用底注式浇注系统进行蜡模组合，在底注式浇注系统的底部横浇道内放置过滤网；所述过滤网放置于底部横浇道内的中部横截面的位置，过滤网的网孔孔径为50PPI。所述过滤网的材质为纯刚玉。

对比例1：

本例制备陶瓷型壳的过程如下：

1、蜡模组合采用顶注浇注系统。

2、配制面层涂料，准备好EC95(W28)粉，硅溶胶(830)，润湿剂(JFC)，消泡剂(正辛醇)；配制比例为：硅溶胶与EC95(W28)重量比为1：4，润湿剂和消泡剂体积均为硅溶胶体积的0.12％。

面层浆料制备过程为：

将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入EC95(W28)，搅拌时间大于2小时，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，再倒入L型搅拌机内继续搅拌24小时后方可使用。粘度要求35～40s。

3、配制加固层涂料：加固层配制比例为硅溶胶(1430)与EC95(W28)比例为1：1.7，润湿剂和消泡剂体积均为硅溶胶体积的0.12％；

加固层浆料的制备过程为：将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入EC95(W28)，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，搅拌时间大于2小时后方可使用，粘度控制在12～18s。

4、对型壳进行涂挂操作：第一层涂挂面层浆料，粘度要求35～40s，撒砂要求80#刚玉砂，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入面层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，重复以上操作后，把模组送入淋砂机(手工挂砂)内挂砂，挂砂时间约为10秒，然后将模组挂在模组架上自然干燥13～16小时。第二层涂挂加固层浆料，粘度要求12～18s，撒砂要求60#刚玉砂，首先用喷枪轻轻吹掉面层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后再浸入硅溶胶中，浸硅溶胶约2秒钟即可迅速取出、控掉多余硅溶胶后浸入二层料浆，操作同面层操作，挂砂后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。第三层涂挂加固层涂料，粘度要求12～18s，撒砂要求46#刚玉砂，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，其余同第一层操作。第四层至第六层涂挂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求24#刚玉砂。第七层封浆，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入加固层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，然后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。干燥时间大于24小时。

5、型壳的脱蜡：

将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6MPa，温度170℃，脱蜡时间为15～20分钟；

6、型壳的焙烧：

型壳平放在电炉底板上，焙烧温度：900℃±20℃，时间≥2小时，允许低于500℃入炉，到保温时间后允许开炉门降温。

图1为用本例工艺制备的型壳浇注所得铸件，从图1中可以看出，铸件物理粘砂情况较严重。

对比例2：

本例制备陶瓷型壳的过程如下：

1、蜡模组合采用顶注浇注系统。

2、配制面层涂料，准备好EC95(W28):EC95(W14)为1:1的混合粉，硅溶胶(830)，润湿剂(JFC)，消泡剂(正辛醇)；配制比例为硅溶胶与混合粉重量比为1：4，润湿剂和消泡剂均为硅溶胶体积的0.12％；

面层浆料制备过程为：

将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入混合粉，搅拌时间大于2小时，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)再倒入L型搅拌机内继续搅拌24小时后方可使用。粘度要求35～40s。

3、配制加固层涂料：加固层配制比例为硅溶胶(1430)与EC95(W28)比例为：1：1.7，润湿剂和消泡剂的体积均为硅溶胶体积的0.12％；

加固层浆料的制备过程为：将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入EC95(W28)，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，搅拌时间大于2小时后方可使用,粘度控制在12～18s。

5、型壳的脱蜡：

将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.65MPa，温度170℃，脱蜡时间为15～20分钟；

6、型壳的焙烧：

图2为用本例工艺制备型壳浇注所得铸件，物理粘砂情况较对比例1有所减轻，但是仍需进一步调整工艺进行改善。

实施例1：

本实施例制备陶瓷型壳的过程如下：

1、蜡模组合采用底注浇注系统，横浇道内部植入小过滤网。

2、配制面层涂料，准备好EC95(W28):EC95(W14)为1:1的混合粉，硅溶胶(830)，润湿剂(JFC)，消泡剂(正辛醇)；配制比例为：硅溶胶与混合粉重量比为1：4，润湿剂和消泡剂体积均为硅溶胶体积的0.12％。

面层浆料制备过程为：

将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入混合粉，搅拌时间大于2小时，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，再倒入L型搅拌机内继续搅拌24小时后方可使用。粘度要求35～40s。

5、型壳的脱蜡：

将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.62MPa，温度165℃，脱蜡时间为15～20分钟；

6、型壳的焙烧：

图3为用本实施例制备的型壳浇注所得铸件，从图3中可以看出，铸件物理粘砂基本消失，铸件表面质量得到较大改善，大大降低了铸件后工序修磨得工作量。

实施例2：

与实施例1不同之处在于，试验件为某型号单晶叶片试验件。浇注后发现铸件表面物理粘砂得到明显改善(图4(b))。

对比例3：

与实施例1不同之处在于，试验件为某型号单晶叶片试验件。在制备型壳时，底部浇注系统中不采用小滤网；面层浆料配制时使用的EC95的粒度只有W28一种，其他制备型壳的过程均与实施例1相同。

采用本例制备的型壳浇注后发现铸件表面物理粘砂情况严重(图4(a))。

Claims

1.一种改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，其特征在于：该方法首先采用底注式浇注系统进行蜡模组合，然后制备面层浆料和加固层浆料，再依次进行型壳的涂挂、型壳的脱蜡和型壳的焙烧；其中：采用底注式浇注系统进行蜡模组合时，在底注式浇注系统的底部横浇道内放置过滤网；在制备面层浆料时，面层浆料的组成为：刚玉粉EC95、硅溶胶830、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇；其中刚玉粉EC95是由粒度W28的EC95与粒度W14的EC95按照1:1的重量比例混合而成；所述加固层浆料组成为EC95、硅溶胶1430、润湿剂JFC和消泡剂正辛醇，加固层浆料中的EC95的粒度为W28；

所述过滤网放置于底部横浇道内的中部横截面的位置，过滤网的网孔孔径为50PPI；所述过滤网的材质为纯刚玉。

2.根据权利要求1所述的改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

（1）蜡模组合：蜡模组合时采用底注式浇注系统，并在底部横浇道内部放置过滤网；

（2）面层浆料配置：

面层浆料中：EC95总重量与硅溶胶的重量比例为（3.5~4.25）：1，润湿剂的体积为硅溶胶体积的0.1~0.15％，消泡剂的体积为硅溶胶体积的0.1~0.15％；

（3）加固层浆料配制：

加固层浆料中：硅溶胶与EC95的重量比例为1：（1.5~1.75），润湿剂的体积为硅溶胶体积的0.1~0.15％，消泡剂的体积为硅溶胶体积的0.1~0.15％；

（4）型壳的涂挂操作：

蜡型首先采用面层浆料涂挂第1层作为面层，粘度控制在35~40s，撒砂材料为EC95砂；然后采用加固层浆料涂挂第2-6层作为加固层，粘度控制在12~18s，撒砂材料为EC95砂；最后再采用加固层浆料涂挂第7层，粘度控制在12~18s，不撒砂；

（5）型壳的脱蜡：

将制备好的型壳用脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6~0.7MPa，温度165~170℃，脱蜡时间为15~20分钟；

（6）型壳的焙烧：

3.根据权利要求2所述的改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述面层浆料的制备过程为：

将硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例依次加入润湿剂和消泡剂，然后在搅拌条件下加入EC95，继续搅拌2小时以上；搅拌过程中测量粘度1-2次；将搅拌后的混合物料倒入另一涂料桶内继续搅拌24小时后得到面层浆料，备用；面层浆料的粘度控制在35~40s。

4.根据权利要求2所述的改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述加固层浆料的制备过程为：将硅溶胶倒入涂料桶内，再依次加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入粒度W28的EC95，继续搅拌2小时后备用；搅拌中测量粘度1-2次，加固层浆料的粘度控制在12~18s。

5.根据权利要求2所述的改善高温合金定向凝固铸件物理粘砂的陶瓷型壳制备方法，其特征在于：步骤（4）中，撒砂材料EC95砂的粒度为：第一层面层80＃、第二层加固层60＃、第三层加固层46＃、第四层至第六层加固层24＃。