CN113385640B - 一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，包括碳纤维的预处理、型壳加固层浆料的制备、型壳加固层制备、型壳封浆层制备、焙烧步骤，本发明通过采用在型壳加固层中加入碳纤维，优化制壳参数，达到提高型壳强度、透气性的目的，解决了厚壁中小型钛合金精密铸造浇注过程中跑水、绑铁丝以及增加制壳层数生产效率低、浇不满的问题。

Description

一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法

技术领域

本发明属于加固层型壳加工技术领域，具体涉及一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法。

背景技术

随着钛合金产品结构、壁厚、尺寸的多样化要求，对熔模精密铸造提出了更高的要求，在熔模精密铸造各个工序中，熔模型壳的制备工艺是最大难点。型壳性能的好坏直接影响着铸件的质量，强度是型壳最基本的性能，优质型壳的强度指标应当具有良好的常温强度、高温强度以及残余强度、有较好的透气性，制壳过程中加固层的型壳性能直接决定着型壳的强度与透气性。提高型壳强度的常规方法为绑铁丝、增加制壳层数等，采用绑铁丝加固影响生产效率、且造成型壳受热时表面涨力不一致，存在铸件凝固时的受力不一致，造成较大的铸造残余应力；增加制壳层数影响型壳透气性。

生产厚壁中小型钛合金铸件时，厚壁中型铸件无法绑铁丝的部位出现浇注时模壳破裂跑水的问题；增加制壳层数影响型壳透气性及充型性，厚壁小型铸件易产生浇不满缺陷。所以需要开发一种适用于厚壁中小型钛合金精密铸造的新的加固层制壳工艺，来代替原来的加固层绑铁丝、增加制壳层数的制壳工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，通过采用在型壳加固层中加入碳纤维，优化制壳参数，达到提高型壳强度、透气性的目的，解决了厚壁中小型钛合金精密铸造浇注过程中跑水、绑铁丝以及增加制壳层数生产效率低、浇不满的问题。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，包括以下制备步骤：

步骤一、碳纤维的预处理；将碳纤维倒入装有粘结剂Ⅰ的搅拌桶中，再向搅拌桶中加入分散剂，打开搅拌机进行搅拌，速率为30~40r/min，搅拌时间为20~30min；

步骤二、型壳加固层浆料的制备: 将粘结剂Ⅱ倒入搅拌桶中，启动开始搅拌，将步骤一处理过的碳纤维倒入粘结剂中，搅拌10~20min后，按照耐火粉料与粘结剂的质量比为（1.8~2.2）：1将耐火粉料加入粘结剂中，搅拌8h以上，得加固层浆料；

步骤三、型壳加固层制备：将制备面层型壳的模组浸入到步骤二得到的加固层浆料中涂挂，提出后，撒砂、干燥，重复本步骤5~6次，得到加固层型壳；

步骤四、型壳封浆层制备：将步骤三得到的型壳浸入步骤二制备的涂料中涂挂，提出并干燥，完成封浆层的制备；

步骤五、焙烧：将步骤四制得的型壳脱蜡，脱蜡后在焙烧炉中升温至950~1050℃，保温5h，随炉冷却至室温，出炉后即得厚壁中小型钛合金精密铸造用的型壳。

进一步的，步骤一中的碳纤维与粘结剂Ⅰ的质量比为1:9~1:11。

进一步的，其中碳纤维的直径为5~8μm，长度为2~7mm。

进一步的，分散剂为羟丙基甲基纤维素，分散剂与碳纤维的质量比为0.8:1~1.2:1。

进一步的，粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ均为硅溶胶。

进一步的，步骤二中的粘结剂是粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ的总和。

进一步的，步骤二中碳纤维加入量为粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ总质量的0.5~1%。

进一步的，步骤二中的耐火粉料为180~220目莫来粉，其中Al₂O₃含量在70~80%。

进一步的，步骤三撒砂中的砂为30~60目的莫来砂，其中Al₂O₃含量在70~80%。

进一步的，步骤三和步骤四中加固层浆料的Q值分别为：二层~三层Q值=（3.5~4.5）g、四层~五层Q值=（5.5~6.5）g、六层~封浆层Q值=（8.5~9.5）g。

本发明的有益效果为：本发明方法具有提高精密铸造型壳的强度、透气性的作用，且能减少绑铁丝工序，提高生产效率的优点，本发明适用于壁厚大于3mm，尺寸小于300mm的钛合金精密铸造的背层制壳工艺。

附图说明

图1是本发明实施例一制备的加固层型壳的蜡模结构示意图；

图2是本发明实施例二制备的加固层型壳的蜡模结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明实施例加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，包括以下制备步骤：

步骤一、碳纤维的预处理；将碳纤维倒入装有粘结剂Ⅰ的搅拌桶中，碳纤维与粘结剂Ⅰ的质量比为1:9~1:11，碳纤维的直径为5~8μm，长度为2~7mm，碳纤维的加入量过低，不能增加型壳强度，加入量过高则会造成团聚，不能均匀分散，影响型壳强度，再向搅拌桶中加入分散剂-羟丙基甲基纤维素，分散剂与碳纤维的质量比为0.8:1~1.2:1，分散剂加入量低会造成碳纤维无法分散开，过高则增加粘结剂的粘度，影响碳纤维的分散效果；打开搅拌机进行搅拌，速率为30~40r/min，搅拌时间为20~30min；碳纤维的表面活性低，不易良好分散，必须进行预处理，加入分散剂，使碳纤维在粘结剂中分散均匀。碳纤维分散不均匀，会造成团聚割裂型壳结构，降低型壳强度，浇注时产生跑水缺陷。

步骤二、型壳加固层浆料的制备: 将粘结剂Ⅱ倒入搅拌桶中，启动开始搅拌，将步骤一处理过的碳纤维倒入粘结剂中，搅拌10~20min后，按照耐火粉料与粘结剂的质量比为（1.8~2.2）：1将耐火粉料加入粘结剂中，粘结剂是粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ质量的总和，碳纤维加入量为粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ总质量的0.5~1%，耐火粉料为180~220目莫来粉，其中Al₂O₃含量在70%以上；搅拌8h以上，得加固层浆料；粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ均为硅溶胶，

步骤三、型壳加固层制备：将制备面层型壳的模组浸入到步骤二得到的加固层浆料中涂挂，提出后，撒砂、干燥，重复本步骤5~6次，得到加固层型壳；撒砂中的砂为30~60目的莫来砂，其中Al₂O₃含量在70%以上；撒砂过程通过固定浆料来增强型壳，且防止干燥时涂料胶凝型壳产生穿透性裂纹而影响型壳强度，加固层浆料的Q值分别为：二层~三层Q值=（3.5~4.5）g、四层~五层Q值=（5.5~6.5）g、六层=（8.5~9.5）g；Q值的测量方法为：将70mmx70mmx1mm的钢质挂片挂到专用量称上，将量称的数据归零，然后取挂片浸入浆桶中，1min后提起挂片，1min后将挂片挂到专用量称上，此时量称的数据为Q值；Q值过小影响型壳强度造成浇注时型壳开裂跑水，Q值过大型壳的层与层之间的结合型变差降低型壳强度，Q值大还会影响型壳透气性，造成铸件鼓包与气孔缺陷的产生。加固层添加碳纤维后，四层制壳后去除绑铁丝加固型壳工序，五层制壳后去除糊泥巴加固型壳工序。

步骤四、型壳封浆层制备：将步骤三得到的型壳浸入步骤二制备的涂料中涂挂，提出并干燥，完成封浆层的制备；其中，封浆层Q值=（8.5~9.5）g；

步骤五、焙烧：将步骤四制得的型壳脱蜡，脱蜡后在焙烧炉中升温至950~1050℃，保温5h，随炉冷却至室温，出炉后即得厚壁中小型钛合金精密铸造用的型壳。

我司现有产品的尺寸长度与高度都没有超过300mm，本发明制备出的钛合金精密铸造的背层制壳的壁厚大于3mm，且本发明方法具有提高精密铸造型壳的强度、透气性的作用，且能减少绑铁丝工序，提高生产效率的优点。

实施例一

一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征是依次包括以下步骤：

一、碳纤维的预处理：称取1kg的硅溶胶粘结剂Ⅰ倒入小型搅拌桶中，将0.5%碳纤维-0.5%碳纤维是指占粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ总质量的0.5%，倒入装有硅溶胶的小型搅拌桶中，然后打开搅拌机高速搅拌，速率为30r/min，搅拌时间为20min；其中碳纤维的直径为5-8μm，长度为2-7mm。

二、型壳加固层浆料的制备：将硅溶胶粘结剂倒入搅拌桶中，启动开始搅拌，然后将处理过的碳纤维倒入粘结剂中，搅拌10min后，按照耐火粉料与粘结剂的粉液比为1.8:1将Al₂O₃含量70%的莫来粉加入碳纤维粘结剂中，搅拌12h。

三、型壳加固层制备：将制备面层型壳后的模组浸入到步骤二制备的加固层浆料中涂挂，提出后，撒砂、干燥，重复本步骤5次，得到加固层型壳。其中二层-三层Q值=3.5g、四层-五层Q值=6.5g。

四、型壳封浆层制备：将步骤三得到的背层型壳浸入步骤二制备的涂料中涂挂，提出并干燥，完成封浆层的制备。其中封浆层Q值=9.5g。

五、焙烧：将步骤四制得的型壳脱蜡，脱蜡后在焙烧炉中升温至950℃，保温5h，随炉冷却至室温，出炉后即得厚壁中小型钛合金精密铸造用的型壳。

本发明还提供一种利用上述方法制备的钛合金精密铸造型壳，型壳浇注后没有跑水，表面质量良好，适合生产壁厚在3mm~10mm，尺寸100mm以内的钛合金铸件，铸件采用框架浇道，见图1。

实施例二

一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征是依次包括以下步骤：

一、碳纤维的预处理。称取2kg的硅溶胶粘结剂倒入小型搅拌桶中，将1%碳纤维倒入装有硅溶胶的小型搅拌桶中，然后打开搅拌机高速搅拌，速率为40r/min，搅拌时间为30min；其中碳纤维的直径为5~8μm，长度为2~7mm。

二、型壳加固层浆料的制备：将硅溶胶粘结剂倒入搅拌桶中，启动开始搅拌，然后将处理过的碳纤维倒入粘结剂中，搅拌20min后，按照耐火粉料与粘结剂的粉液比为2.2:1将Al₂O₃含量78%的莫来粉加入碳纤维粘结剂中，搅拌16h。

三、型壳加固层制备：将制备面层型壳后的模组浸入到步骤二制备的加固层浆料中涂挂，提出后，撒砂、干燥，重复本步骤6次，得到加固层型壳。其中二层-三层Q值=4.5g、四层-五层Q值=5.5g、六层Q值=8.5g。

四、型壳封浆层制备：将步骤三得到的背层型壳浸入步骤二制备的涂料中涂挂，提出并干燥，完成封浆层的制备。其中封浆层Q值=9g。

五、焙烧：将步骤四制得的型壳脱蜡，脱蜡后在焙烧炉中升温至1050℃，保温5h，随炉冷却至室温，出炉后即得厚壁中小型钛合金精密铸造用的型壳。

本发明还提供一种利用上述方法制备的钛合金精密铸造型壳，型壳浇注后没有跑水，表面质量良好，适合生产壁厚在10mm以上，尺寸100mm~300mm的钛合金铸件，铸件采用横浇道式浇道，见图2。

做对比的型壳按照以下的步骤制备：

一、型壳加固层浆料的制备：将硅溶胶粘结剂倒入搅拌桶中，启动开始搅拌，然后按照耐火粉料与粘结剂的粉液比（质量比）为2.2:1将Al₂O₃含量78%的莫来粉加入碳纤维粘结剂中，然后加入6%的石墨粉，搅拌16h。

二、型壳加固层制备：将制备面层型壳后的模组浸入到步骤一制备的加固层浆料中涂挂，提出后，撒砂、干燥，重复本步骤6次，得到加固层型壳。其中二层-三层Q值=4.5g、四层-五层Q值=5.5g、六层-封浆层Q值=8.5g。

三、型壳封浆层制备：将步骤二得到的背层型壳浸入步骤一制备的涂料中涂挂，提出并干燥，完成封浆层的制备。其中封浆层Q值=8.5g。

四、焙烧：将步骤三制得的型壳脱蜡，脱蜡后在焙烧炉中升温至1050℃，保温5h，随炉冷却至室温，出炉后即得对比试验用的型壳。

经试验证明，上述两类实施例方法制成的精密铸造用加固层型壳具有碳纤维高温不完全烧失后强度高，型壳的透气性好的特点，按照实施例2和做对比型壳的步骤来制备试样，试样尺寸为40mmx20mmx（12±1）mm，试样的常温抗弯强度，焙烧后强度、透气性的测试结果见表1。

表1 实施例2和做对比试验型壳的测试结果

实例2所制备的型壳试样常温抗弯强度对比未添加碳纤维的型壳试样抗弯强度增加了6.59MPa，增加明显，焙烧后抗弯强度较未添加碳纤维的型壳抗弯强度增加了5.77MPa，增加幅度减小，主要是因为碳纤维高温焙烧后有一部分烧失，造成焙烧后强度较常温强度增加不大。型壳材料中添加碳纤维，均匀分布的纤维构成网格状，像水泥中的钢筋一样，提高了型壳的强度。

由于碳纤维焙烧后的部分烧失，实施2制备的型壳试样透气性对比未添加碳纤维的型壳透气性增大了2.1，碳纤维在高温钛合金浇注过程中，会有烧失，碳纤维烧失时在型壳中形成直径为5~8μm的孔隙，微小孔隙在型壳内部弥散分布，增加了型壳中气体排放的通道，提高了型壳透气性。

还需要说明的是，在本文中，诸如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

步骤一、碳纤维的预处理；将碳纤维倒入装有粘结剂Ⅰ的搅拌桶中，再向搅拌桶中加入分散剂，打开搅拌机进行搅拌，速率为30～40r/min，搅拌时间为20～30min，其中，碳纤维的直径为5～8μm，长度为2～7mm，分散剂为羟丙基甲基纤维素，分散剂与碳纤维的质量比为0.8:1～1.2:1；

步骤二、型壳加固层浆料的制备:将粘结剂Ⅱ倒入搅拌桶中，启动开始搅拌，将步骤一处理过的碳纤维倒入粘结剂中，搅拌10～20min后，按照耐火粉料与粘结剂的质量比为(1.8～2.2)：1将耐火粉料加入粘结剂中，搅拌8h以上，得加固层浆料；

步骤三、型壳加固层制备：将制备面层型壳的模组浸入到步骤二得到的加固层浆料中涂挂，提出后，撒砂、干燥，重复本步骤5～6次，得到加固层型壳；

步骤四、型壳封浆层制备：将步骤三得到的型壳浸入步骤二制备的涂料中涂挂，提出并干燥，完成封浆层的制备；

步骤五、焙烧：将步骤四制得的型壳脱蜡，脱蜡后在焙烧炉中升温至950～1050℃，保温5h，随炉冷却至室温，出炉后即得厚壁中小型钛合金精密铸造用的型壳；

其中，步骤三和步骤四中加固层浆料的Q值分别为：二层～三层Q值＝(3.5～4.5)g、四层～五层Q值＝(5.5～6.5)g、六层～封浆层Q值＝(8.5～9.5)g。

2.根据权利要求1所述的一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：步骤一中的碳纤维与粘结剂Ⅰ的质量比为1:9～1:11。

3.根据权利要求1所述的一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ均为硅溶胶。

4.根据权利要求1所述的一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：步骤二中的粘结剂是粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ的总和。

5.根据权利要求1所述的一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：步骤二中碳纤维加入量为粘结剂Ⅰ和粘结剂Ⅱ总质量的0.5～1％。

6.根据权利要求1所述的一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：步骤二中的耐火粉料为180～220目莫来粉，其中Al₂O₃含量在70～80％。

7.根据权利要求1所述的一种厚壁中小型钛合金铸造用加固层型壳的制备方法，其特征在于：步骤三撒砂中的砂为30～60目的莫来砂，其中Al₂O₃含量在70～80％。

Images