CN112676534A - 一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法 - Google Patents

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张洋
闻雅
刘俊宝
于宗溟
吴东辉
李东芳
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Abstract

一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法。本发明属于钛合金熔模精密铸造工艺技术领域。本发明为解决现有熔模精密铸造复合水溶型芯的工艺方法，当内腔尺寸小到一定程度时，该工艺方法无法实现浆料涂挂和干燥以及现有熔模精密铸造复合陶瓷型芯的工艺方法不适用于小尺寸复杂流道结构等封闭程度较高的产品的技术问题。本发明的工艺方法：采用金属型芯替代现有水溶型芯和陶瓷型芯，利用金属型芯材料与钛合金之间的性质差异，采用化学法实现型芯去除，完成小尺寸复杂内腔产品的研制生产，保证产品尺寸精度和产品质量。

Description

一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺 方法
技术领域
本发明属于钛合金熔模精密铸造工艺技术领域，具体涉及一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法。
背景技术
近年来，随着航空航天装备不断升级，其应用的钛合金结构件向着复杂化和精密化发展，部分产品具有一定复杂内腔结构或小尺寸复杂流道结构。这种复杂结构通常无法进行机械加工，必须依靠精密铸造过程中预设型芯实现产品成形，通常采用的是熔模精密铸造复合型芯的工艺方法。
型芯的材质主要有两种，一种是水溶芯，一种是陶瓷芯。熔模精密铸造复合陶瓷型芯的工艺方法适合生产有利于型芯去除的半开放式结构的产品(因陶瓷型芯材质特殊，无法采用碱煮等方式去除)，却不适用于小尺寸复杂流道结构等封闭程度较高的产品；熔模精密铸造复合水溶型芯的工艺方法虽然适合生产大多数具有复杂流道结构等封闭程度较高的产品，但当流道的上盖与下盖间的开口小到一定程度时，该工艺方法无法实现浆料涂挂和干燥，进而导致该工艺失效，产品质量无法保证。
因此，需要采用其他的工艺方法，突破上述工艺方法的局限性，以实现小尺寸复杂内腔钛合金铸件的研制生产。
发明内容
本发明为解决现有熔模精密铸造复合水溶型芯的工艺方法，当内腔尺寸小到一定程度时，该工艺方法无法实现浆料涂挂和干燥以及现有熔模精密铸造复合陶瓷型芯的工艺方法不适用于小尺寸复杂流道结构等封闭程度较高的产品的技术问题，而提供了一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法。
本发明的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法按以下步骤进行：
一、采用铁基合金制作型芯，然后在型芯表面喷涂惰性涂层，干燥后，得到带有涂层的型芯；
二、将型芯放置在蜡模模具中，进行蜡模压制，得到蜡模；
三、对表面清洗干净的蜡模进行多次涂浆、撒砂和干燥操作，脱蜡后真空焙烧，得到型壳；
四、将熔融的钛合金液倒入型壳内，静置成型，脱除型芯后，得到小尺寸复杂内腔钛合金铸件。
进一步限定，步骤一中所述喷涂采用真空等离子喷涂。
进一步限定，步骤一中所述惰性涂层为稀土氧化物涂层。
进一步限定，所述稀土氧化物涂层中的稀土氧化物为Y2O3。
进一步限定，步骤一中所述惰性涂层厚度为0.1mm～0.2mm。
进一步限定，步骤一中所述干燥的温度为18～24℃，时间为24h～36h。
进一步限定，步骤二中所述蜡模模具的材质为铝合金或钢。
进一步限定，步骤三中所述涂浆具体是对蜡模的面层和背层进行涂浆。
进一步限定，步骤三中所述涂浆的浆料分为面层浆料和背层浆料，所述面层浆料和背层浆料均由耐火材料和粘结剂制备而成。
进一步限定，所述面层浆料中的耐火材料为Y2O3、ZrO2或两者的混合物，所述面层浆料中的粘结剂为二醋酸锆或碳酸锆铵；所述背层浆料中的耐火材料为硅铝酸盐，所述背层浆料中的粘结剂为硅溶胶。
进一步限定，所述面层涂浆的黏度为涂4粘度杯流出时间为45s～75s，所述背层涂浆的黏度为涂4粘度杯流出时间为4s～20s。
进一步限定，步骤三中所述涂浆、撒砂和干燥的次数均为10～15次。
进一步限定，步骤三中所述真空焙烧的温度为950℃～1050℃，时间为1.5h～2.5h。
进一步限定，步骤四中采用化铣法脱除型芯。
进一步限定，所述化铣法脱除型芯的具体过程为：采用稀HCl溶液进行脱芯处理。
进一步限定，所述稀HCl溶液的质量分数为8％～12％。
本发明与现有技术相比具有的显著效果，具体如下：
1)本发明提出一种利用金属型芯生产钛合金闭式叶轮的工艺方法，采用特种金属型芯替代现有陶瓷型芯等方案，利用金属型芯材料与钛合金之间的性质差异，采用化学法实现型芯去除，解决以往该类复杂结构产品生产时存在的型芯彻底清理难、所能成形内腔尺寸结构受限严重等突出问题，完成闭式叶轮产品的研制生产，保证产品尺寸精度和产品质量。
2)在带有小尺寸内腔的钛合金铸造过程中，铸型的型芯部位的受热环境最为恶劣，型芯材料必须具有较高的热稳定性，金属型芯的材料选择非常关键，选取某种金属材料作为型芯材质，使用机械加工的方式制备型芯。本发明选用铁基合金制作型芯，采用机械加工的方式获得，尺寸精度较高，且具有一定热稳定性和热冲击性能，金属型芯的材料具有高的热稳定性，与熔融钛接触物理化学反应轻微；金属型芯的材料具有高的抗热冲击性能，在熔融钛的高温作用下，不发生变形。
3)本发明采用等离子喷涂设备喷上一层稀土氧化物惰性涂层，增加金属型芯的热稳定性。
附图说明
图1为实施例1闭式叶轮结构示意图；
图2为实施例1闭式叶轮剖面结构示意图。
具体实施方式
实施例1(参见图1和图2)：本实施例中一种利用金属型芯生产上盖与下盖间开口小于5mm的闭式叶轮的工艺方法按以下步骤进行：
一、采用铁基合金制作型芯，然后在型芯表面采用真空等离子喷涂设备喷涂Y2O3涂层，涂层厚度为0.15mm，于20℃下干燥24h后，得到带有涂层的型芯；所述铁基合金的为Q235钢；
二、将型芯放置在铝合金蜡模模具中，进行蜡模压制，得到蜡模；所述蜡模模具的材质为铝合金；
三、对表面清洗干净的蜡模的面层和背层进行涂浆，面层浆料和背层浆料均由耐火材料和粘结剂制备而成，面层浆料的耐火材料为85％Y2O3+15％ZrO2混合物，面层浆料的粘结剂为二醋酸锆，面层浆料黏度为45s～75s(涂4粘度杯)；背层浆料的耐火材料为铝矾土，背层浆料的粘结剂为硅溶胶，背层浆料的黏度为4s～20s(涂4粘度杯)，重复涂浆、撒砂和干燥的操作12次，脱蜡后于1000℃下真空焙烧2h，得到型壳；
四、将熔融的钛合金液倒入型壳内，静置成型，采用质量分数为10％的稀HCl溶液脱除型芯后，得到闭式叶轮钛合金铸件。

Claims (10)

1.一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，该工艺方法按以下步骤进行：
一、采用铁基合金制作型芯，然后在型芯表面喷涂惰性涂层，干燥后，得到带有涂层的型芯；
二、将型芯放置在蜡模模具中，进行蜡模压制，得到蜡模；
三、对表面清洗干净的蜡模进行多次涂浆、撒砂和干燥操作，脱蜡后真空焙烧，得到型壳；
四、将熔融的钛合金液倒入型壳内，静置成型，脱除型芯后，得到小尺寸复杂内腔钛合金铸件。
2.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤一中所述喷涂采用真空等离子喷涂。
3.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤一中所述惰性涂层为稀土氧化物涂层，所述稀土氧化物涂层中的稀土氧化物为Y2O3。
4.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤一中所述惰性涂层厚度为0.1mm～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤一中所述干燥的温度为18～24℃，时间为24h～36h。
6.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤二中所述蜡模模具的材质为铝合金或钢。
7.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤三中所述涂浆具体是对蜡模的面层和背层进行涂浆，步骤三中所述涂浆、撒砂和干燥的次数均为10～15次，步骤三中所述真空焙烧的温度为950～1050℃，时间为1.5～2.5h。
8.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤三中所述涂浆的浆料分为面层浆料和背层浆料，所述面层浆料和背层浆料均由耐火材料和粘结剂制备而成，所述面层浆料中的耐火材料为Y2O3、ZrO2或两者的混合物，所述面层浆料中的粘结剂为二醋酸锆或碳酸锆铵；所述背层浆料中的耐火材料为硅铝酸盐，所述背层浆料中的粘结剂为硅溶胶，所述面层涂浆的黏度为涂4粘度杯流出时间为45s～75s，所述背层涂浆的黏度为涂4粘度杯流出时间为4s～20s。
9.根据权利要求1所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，步骤四中采用化铣法脱除型芯。
10.根据权利要求9所述的一种利用金属型芯生产小尺寸复杂内腔钛合金铸件的工艺方法，其特征在于，所述化铣法脱除型芯的具体过程为：采用稀HCl溶液进行脱芯处理，所述稀HCl溶液的质量分数为8％～12％。
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