CN113165053A - 用于制造壳模的改进铸造浆料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造壳模的铸造浆料，所述壳模用于模制一种包含金属合金的部件，所述浆料包含粉末颗粒和粘合剂，其中，所述粘合剂包含氧化钇胶体，并且所述粉末颗粒包含由氧化钙稳定的氧化锆。
Description
技术领域
本发明涉及铸造的领域，特别地涉及熔模(或失蜡)铸造方法，并且更特别地涉及在此类方法中使用的浆料，特别地用于铸造壳模的制造。
背景技术
自古以来，熔模(或失蜡或脱模)铸造方法本身就是众所周知的。例如，在文献FR3031921中描述了此类方法。它们特别地适用于制造具有复杂形状的金属部件。例如，熔模铸造用于制造涡发动机轮机叶片或叶轮扇区。在熔模铸造中，第一步骤通常是制造壳模，其通常包括形成一种由相当低熔点材料(例如蜡或树脂)制成的模型，然后环绕所述模型制作一种耐火材料壳体。在破坏了模型后，最常见地通过将模型材料从壳模内排出，这赋予了这些方法其名称，熔融的金属被浇铸到该壳模内，以便在将其排出后填充由壳模内侧的模型所形成的空腔。一旦金属冷却和凝固，壳模可以打开或毁坏，以回收一种与模型形状一致的金属部件。
为了制作该壳模，蜡模通常浸入在铸造浆料中，然后涂敷砂粒并干燥。可以重复这些操作，以形成若干层，并获得壳模的所需厚度和机械强度。然而，被称为接触浆料的所使用的第一层浆料对铸造金属部件的质量起关键作用。事实上，该接触浆料允许壳模的内表面与待模制金属部件的金属直接接触地形成。
在航空领域，例如涡轮叶片等部件的制造使用这些熔模铸造方法。特别地，基于铝化钛(TiAl)的金属间化合物合金，由于其低密度，经常用于制造这些叶片。这种合金的特定特征是容易与壳模的组分发生反应，该壳模与部件金属的接触能够损坏该部件的表面抛光。为了限制这种效果，已知使用一种包含氧化钇粉末的接触浆料以及一种包含氧化钇胶体的粘合剂。然而，该浆料具有不稳定的缺点。事实上，在数小时后，例如在3或4小时后，该组合物的接触浆料趋向于快速地凝胶。该缺点限制了这种浆料的工业应用。而且，这种浆料很昂贵。
替代地，可以使用某些添加剂，但这些添加剂没有一种是令人满意的，因为浆料的一个参数的改进通过另一参数的不可接受的回归所补偿。
因此，需要一种随时间推移稳定性会增加的新型接触浆料。
发明内容
本发明涉及一种用于制造铸造部件的壳模的铸造浆料，所述铸造部件包含金属合金，所述浆料包含粉末颗粒和粘合剂，所述粘合剂包含氧化钇胶体，并且所述粉末颗粒包含氧化钙稳定的氧化锆。
铸造浆料是一种适用于形成壳模的浆料，熔融金属将浇注到所述壳模内。特别地，与任何悬浮液不同，这种浆料包含粘合剂，即确保粉末颗粒之间的粘合性并在烧结过程中和之后赋予壳模机械强度的化合物。粘合剂可以是无机的。常规地，粉末颗粒可以是直径通常在1微米到100微米之间的砂颗粒(也称为“岩粉”)，特别是耐火颗粒。
本发明中使用的铸造浆料包含粘合剂和粉末颗粒，该粘合剂包含氧化钇胶体，该粉末颗粒包含氧化锆。令人惊讶地，发明人观察到了氧化钙稳定的氧化锆(CSZ)在粉末颗粒中的存在明显地稳定了包含氧化钇的浆料，并且保持了足够的流动性，即低粘度。相反，不具有本发明的组合物，即，包含氧化钇胶体的粘合剂以及包含氧化钙稳定的氧化锆(CSZ)的粉末颗粒的现有技术浆料(例如，包含氧化钇胶体的粘合剂以及包含氧化钇的粉末颗粒)的粘度往往随时间增加，导致浆料的凝胶。
在本发明的浆料中，氧化钙稳定的氧化锆的使用改变了在粘合剂和粉末颗粒之间的相互作用以稳定该浆料，同时保持与待模制金属，例如铝化钛(TiAl)合金的低反应性，以及保持与包含氧化钇粉末和粘合剂的浆料相比甚至更低的反应性，所述粘合剂包含氧化钇胶体。由此获得的浆料具有更长的寿命并且可以重复使用。所使用的浴槽也可以更大，而不会导致损耗。
在一些实施例中，所述浆料是被构造成与待模制部件的金属接触的接触浆料。
与称为增强浆料并覆盖正被成型的壳模的先前层的随后浆料相反，在成型时与部件的金属直接接触的所使用的第一浆料称为接触浆料。接触浆料被构造成符合部件的形状并且不改变其形状。接触浆料通常与消耗更快的增强浆料相比保留了更长时期，这就增加了对接触浆料的稳定性需求。因此，根据本发明的浆料特别地适合用作接触浆料，由于其随时间的稳定性以及其与某些金属(例如TiAl)的非反应性。
在某些实施例中，氧化钙稳定的氧化锆中氧化钙的质量含量在1％和30％之间、优选地在3％和20％之间、更优选地在5％和10％之间。
在某些实施例中，浆料中氧化钙稳定的氧化锆的质量比在65％和75％之间，优选地在68％和72％之间，更优选地等于70％。
在某些实施例中，浆料中粘合剂的质量比在20％和40％之间，优选地在25％和35％之间，更优选地等于29.8％。
在某些实施例中，浆料中添加剂的质量比小于10％，优选地在0.1％和5％之间，更优选地在0.5％和2％之间。
在某些实施例中，所述浆料的粘度在0.1和2Pa.s之间。
更准确地，所述浆料的粘度保持在0.1至2Pa.s之间持续至少24小时的值。特别地，这些值有助于浆料接近该模型的某些狭窄区域。
在某些实施例中，铸造浆料被构造用于制造铸造部件的壳模，所述铸造部件包含基于铝化钛的金属合金。
根据本发明的浆料特别地适合用作接触浆料，由于其随时间的稳定性以及其与基于铝化钛(TiAl)的金属合金的非反应性。
本发明还涉及根据前述实施例任一项所述的铸造浆料用于制造壳模的用途。
本发明还涉及一种制造铸造部件的壳模的方法，所述方法包括步骤：
-提供一种待制造部件的模型；
-将所述模型浸入根据前述实施例任一项所述的接触浆料中；
-在包含氧化钇的接触砂中对浸渍的模型进行喷砂；
-干燥通过前述步骤获得的所述层；
-将所述模型浸入增强浆料中，对浸入在增强砂中的模型进行喷砂，并干燥所获得的层，直到获得了所需的壳模厚度；
-移除所述部件模型。
在某些实施例中，所述增强浆料包含粘合剂和粉末颗粒，所述粘合剂选自：硅酸乙酯、硅酸钠或胶体，该胶体特别地包括硅石胶体、氧化铝胶体、氧化钇胶体或氧化锆胶体。
在某些实施例中，所述粉末颗粒包含在氧化铝、莫来石、氧化锆、莫来石-氧化锆复合物中的至少一种化合物。
本发明还涉及通过一种根据前述实施例任一项所述的方法获得的壳模。
通过根据本发明的方法所获得的壳模限制了在该壳模中铸造的金属部件(例如航空发动机叶片)的表面上形成的富氧反应层。这里将反应层定义为氧浓度与在基体合金中所测得浓度相比大至少两倍的厚度。特别地，对于在1600℃下等温接触持续5分钟，对于由此获得的部件，该反应层保持小于15μm。
附图说明
在阅读通过非限制性示例给出的本发明多种实施例的以下详细描述后，将更好地理解本发明及其优点。该说明书涉及附加图页，其中：
图1示意性地表示一种用于铸造方法的壳模的制造方法的步骤；
图2是一种示出作为剪切应力函数的对照浆料以及本发明浆料的粘度变化的曲线图。
航空部件，特别地涡轮叶片或涡轮叶片簇的制造方法是一种铸造方法。例如在文献FR3031921中描述了该方法的多种步骤。
该方法的第一步骤包括创建一种也称为“非永久簇”的蜡簇模型。在第二步骤中，壳模由该蜡簇制成。在该操作结束时，从壳模移除了构成该簇模型的蜡。通过在高压釜(或类似物)中以高于蜡的熔融温度的温度加热壳模完成了该蜡移除。在第三步骤中，通过将熔融金属浇注到壳模内，在壳模中形成金属叶片簇。在第四步骤中，在金属已经在壳模中冷却和凝固后，从壳模移除该簇。最后，在第五步骤中，每个叶片与该簇的其余部分分离，并通过例如机加工等精加工方法进行精加工。
本发明特别地涉及壳模的制造，在所述壳模中将进行金属铸造，并且更具体地涉及用于制造该壳模的接触浆料。在图1中示出了该方法的多种步骤。
第一步骤(步骤S1)包含提供一种由蜡或该部件的随后可以很容易排出的其他等效材料制成的模型。在第二步骤中，将蜡模浸入到第一浆料中，包含粉末颗粒和粘合剂的接触浆料中(步骤S2)。然后进行喷砂，即称为接触灰泥的砂颗粒的沉积，随后干燥所获得的层(步骤S3)。该喷砂步骤增强了该层并促进了下一层的粘合。
然后将由此获得的层浸入到被称为增强浆料的第二浆料中(步骤S4)。然后进行被称为增强灰泥的砂粒沉积，随后干燥所获得的层(步骤S5)。对步骤S4和S5重复N次，直到获得了确定厚度的壳模。最后，当达到了所需厚度时，实施脱蜡步骤，其包括从模型移除该蜡模，然后进行热处理(步骤S6)。在移除蜡模后，获得了一种陶瓷壳模，其空腔是待模制部件的所有细节的阴性复制。热处理包含对所获得壳模的煅烧，煅烧温度优选地在1000到1200℃之间.
所使用的浆料包含陶瓷材料的颗粒，特别地氧化铝、莫来石、氧化锆或其他材料的颗粒，以及矿物胶体粘合剂，并且如果需要添加剂，例如润湿剂或消泡剂。
在基于铝化钛(TiAl)的航空部件的制造的情况下，步骤S2中使用的接触浆料包含氧化钇。步骤S3中使用的接触灰泥也可包含氧化钇。步骤S4和S5中使用的增强浆料和增强灰泥可包含例如，莫来石、氧化铝、硅-氧化铝、硅石、锆石、氧化锆或氧化钇。
本发明更具体地涉及步骤S2中使用的接触浆料，并且具体地涉及其中粉末颗粒中的存在氧化钇胶体和氧化钙稳定的氧化锆(CSZ)。
为了理解接触浆料中CSZ的存在的影响，发明人首先研究了一种表示为浆料A的对照浆料，其旨在用作制造壳模的接触浆料。浆料A可具有以质量百分比表示的以下组分：
-粘合剂(氧化钇胶体)：24.5％；
-粉末颗粒(氧化钇粉末)：75％；
-润湿剂、消泡剂以及其他添加剂：0.5％。
在此以示例的方式给出了该质量分布，可以理解的是，高达10％的质量分布变化是可能的。浆料A并不包含CSZ。
此外，发明人已经研究了一种浆料B，发明人已经确定所述浆料B具有与浆料A类似的与TiAl的反应性，并且其粉末颗粒包含氧化钙稳定的氧化锆(CSZ)，其中CaO用作稳定剂。例如，可以通过反应烧结获得CSZ。粉末中CaO的质量百分比含量在按重量计1％和20％之间。因此获得的浆料B具有以下的质量百分比：
-粘合剂(氧化钇胶体)：29.8％；
-粉末颗粒(CSZ)：70％，包含5％的CaO；
-润湿剂、消泡剂以及添加剂：0.2％。
类似地，在此通过示例给出了该质量分布，可以理解的是，质量分布的变化在先前提到的范围中是可能的。
浆料B还包含不可避免的杂质。例如，在不可避免的杂质中，可提及二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化铁(Fe2O3)或氧化铝(Al2O3)。不可避免的杂质被限定为并非故意地添加到组合物中，并且与其他元素一起引入的那些元素。
图2所示的曲线图示了用于根据本发明的接触浆料的组合物对其稳定性的影响。该图示出了作为施加到浆料的剪切力的函数，动态粘度在浆料中以Pa.s为单位的变化η。使用一种具有同轴圆柱形几何结构的旋转流变仪进行了这些测量，以对浆料施加一种在0.1到100s-1之间的剪切力。更准确地，可以通过一种非标准化的方式根据剪切应力τ和剪切速率
根据关系
来计算动态粘度η。曲线(a)表示在0.5小时后浆料A的粘度，曲线(b)表示浆料A在2小时后的粘度，曲线(c)表示浆料A在3.5小时后的粘度，曲线(d)表示本发明的浆料B在24小时后的粘度。根据对应于浆料制造结束的时间t0确定了上述时间。
图示浆料A在0.5小时和2小时后的粘度的曲线(a)和(b)基本一致。对于数量级0.1s-1的低剪切，浆料A的粘度在2小时后大致等于4Pa.s。然后，该粘度随时间迅速地增加，并在3.5小时后达到一种大于25Pa.s的值。换句话说，浆料快速地变得非常粘稠，并且倾向于凝胶。
相反，图示本发明的浆料B的粘度的曲线(d)示出了，浆料B的粘度在24小时后保持小于1Pa.s，不管对其施加的剪切力如何。因此，浆料B具有与浆料A相比增加的稳定性，并且即使在制备该浆料后24小时仍通过保持低粘度来保持流动性。此外，浆料B的组合物保持与TiAl合金的低反应性，该低反应性与浆料A相比相当或甚至更低。
尽管已经参考具体的示例实施例描述了本发明，但显而易见的是，可以在不脱离由权利要求所定义的本发明通用范围的情况下对这些示例进行修改和改变。具体地，可以在附加实施例中组合该多种图示/提及的实施例的单独特征。因此，应当以说明性而非限制性的意义考虑说明书和附图。
同样明显的是，参考一种方法描述的所有特征都可单独或组合地转置到一种装置，反之，参照一种装置描述的所有特征都可单独或组合地转置到一种方法。
Claims (8)
1.一种用于制造铸造部件的壳模的铸造浆料，所述铸造部件包含金属合金，所述浆料包含粉末颗粒和粘合剂，其特征在于，所述粘合剂包含氧化钇胶体，并且所述粉末颗粒包含氧化钙稳定的氧化锆，所述浆料中氧化钙稳定的氧化锆的质量比在65％和75％之间，优选地在68％和72％之间，更优选地等于70％。
2.根据权利要求1所述的浆料，所述浆料是被构造成与待模制部件的金属接触的接触浆料。
3.根据权利要求1或2所述的浆料，其中，所述氧化钙稳定的氧化锆中氧化钙的质量含量在1％和20％之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的浆料，其中，所述浆料的粘度在0.1Pa.s至2Pa.s之间。
5.根据权利要求1至4任一项所述的铸造浆料，其被构造用于制造铸造部件的壳模，所述铸造部件包含基于铝化钛的金属合金。
6.根据前述权利要求任一项所述的铸造浆料用于制造壳模的用途。
7.一种制造铸造部件的壳模的方法，所述方法包括步骤：
-提供一种待制造部件的模型；
-将所述模型浸入根据权利要求1至5任一项所述的接触浆料中；
-在包含氧化钇的接触砂中对浸渍的模型进行喷砂；
-干燥通过前述步骤获得的所述层；
-将所述模型浸入增强浆料中，对浸入在增强砂中的模型进行喷砂，并干燥所获得的层，直到获得了所需的壳模厚度；
-移除所述部件模型。
8.一种通过权利要求7所述的方法获得的壳模。
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