CN115837445A - 一种基于3d打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，采用了对3D打印的砂型/芯进行真空压力浸渗无机粘结剂的工艺方法，通过在3D打印的型砂材料中添加了加工助剂、高温烧结助剂和添加剂，经低温埋砂焙烧后、对3D打印成形的砂型/芯进行无机粘结剂的真空压力浸渗；再对砂型/芯进行浸涂或喷涂惰性材料涂层后埋砂高温焙烧，实现了无模快速制备复杂的整体砂型/芯。该方法制备的砂型/芯具有优良的高温强度及低发气性，不开裂，且惰性涂层稳定，应用于钛合金铸造具有生产效率高、成本低及安全等优点。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金砂型铸造技术领域，尤其是涉及一种基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法。
背景技术
钛和钛合金因比强度高、密度低、热导率低、抗高温氧化能力强和优异的耐腐蚀等性能而得到广泛应用，尤其在航空航天工业领域中极其重要，是重要的战略金属材料。随着各类装备制造领域的快速发展，对钛合金关键零部件的力学性能、尺寸精度和可靠性要求日益严苛。近年来，为了满足大型复杂薄壁钛合金精密铸件的研制需求，钛合金砂型铸造等工艺得到了不断改进与发展，相比于熔模精密铸造，钛合金砂型铸造具有制造快速、可制备大型铸件及成本优势，目前实际工程上有取代部分精密铸造铸件以及从简单铸件到复杂铸件制备的需求。但目前钛合金砂型铸造还存在一定的局限性，这是因为熔融的钛合金具有很高的化学活性，几乎可以与所有的耐火材料反应，熔融钛与铸型的相互作用会使铸件表面形成污染层，极大的影响铸件的表面质量和性能。而且传统砂型制备方法难以快速制备复杂砂型/芯，尤其是复杂异形的砂型/芯，且砂型/芯的尺寸精度也无法保证，这些问题限制了基于3D打印砂型/芯的钛合金砂型铸造的发展。
随着现代3D打印技术的快速发展，目前采用3D 打印技术直接制备砂型/芯得到了较广泛的应用，尤其近些年，3D打印技术已能够制备复杂化、一体化、薄壁化及部分功能化的砂型/芯，快速有效提高了砂型/芯制备的复杂程度。其中，采用选区激光烧结(SelectiveLaser Sintering, SLS）、立体喷墨打印(Three-Dimension Printing,3DP)技术直接成形制作砂型/芯，具有响应速度快、制造周期短、灵活性高、稳定性好、砂型与砂芯一体化制造及可制造出任意复杂形状等优点，对提升大型复杂铸件的快速试制和制造水平有明显的促进作用，在航空航天及汽车等领域解决一些关键铸件的生产展现出巨大潜力。目前，国内外采用SLS、3DP成形的砂型/芯已实际应用于铸铝、铸钢及铸铁等材质的零件生产，而熔融钛因具有很高的化学活性，铸造成形时极易与常规铸型材料发生界面反应，导致钛铸件表面产生较厚的氧化层、粘砂、表面夹杂及气孔等一系列的铸造缺陷，限制了SLS、3DP成形砂型/芯在钛合金铸造中的应用。相比于传统造型技术，3D打印砂型/芯也因采用有机粘结剂也存在砂型/芯热强度低、发气量大、在浇注过程存在砂型/芯开裂、甚至溃散的现象，且砂型/芯表面没有高温惰性材料涂层，难以用于浇注化学性质活泼的钛合金的问题。很明显，应用于钛合金铸造的砂型/芯应具有较高热强度和较低的膨胀系数，及高的化学惰性，以防化学活性较高的熔融钛合金与耐火氧化物发生剧烈的化学反应。
很明显，如何通过工艺手段实现无机粘结剂对3D打印砂型/芯的有机粘结剂的替换是该技术发展的关键。针对3D打印砂型/芯的技术特点，通过在3D打印的型砂材料中添加加工助剂、添加剂和烧结助剂，对3D打印砂型/芯进行无机粘结剂的真空压力浸渗的方法，在砂型/芯内、外部形成一定厚度的无机结合层，在砂型/芯高温焙烧后取代被烧蚀掉的有机粘结剂，从而具有良好的热强度及稳定的惰性材料涂层。因此，研究基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的无机粘结剂浸渗及制备工艺，对于推广快速成形技术在钛合金铸造领域的应用有着重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，特征是：工艺步骤如下：
A、适用于3D打印的型砂材料的制备
在原砂材料中加入原砂重量1-10wt%的添加剂，加入原砂重量0.1-5wt%的加工助剂和原砂重量0.1-5wt%的烧结助剂，将所述添加剂、加工助剂和烧结助剂的组合按设定的比例加入到原砂中，充分混合均匀，筛分并包装，得到适合于钛合金铸造的3DP用的型砂材料；或采用热法覆膜工艺对原砂材料进行酚醛树脂覆膜处理，得到酚醛树脂覆膜砂，在制得的酚醛树脂覆膜砂中加入原砂重量1-10wt%的添加剂，以及加入原砂重量0.1-5wt%的加工助剂和原砂重量0.1-5wt%烧结助剂，充分混合均匀，筛分后密封包装，得到适合于钛合金铸造用的SLS成形型砂材料；
B、3D打印成形砂型/芯
将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对3DP用的型砂材料或SLS成形型砂材料按常规方法进行3D打印成形，得到3D打印成形的砂型/芯；
C、清砂、SLS技术成形的砂型/芯表面喷烧与埋砂低温焙烧
采用3DP技术制备的砂型/芯成形后，将未固化连接的支撑砂粒清除；而采用SLS技术成形的砂型/芯先直接进行表面喷烧，以提高砂型/芯表面强度，再将采用SLS技术成形的砂型/芯置于鼓风烘箱中，在150-250℃下进行低温阶段的埋砂焙烧30-180min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至100℃-室温，将因工艺设计要求的应用于砂型/芯的支撑清除；
D、砂型/芯的无机粘结剂真空压力浸渗
将采用3DP技术制备的砂型/芯、或低温焙烧后的SLS成形砂型/芯置于真空压力浸渗装置中进行无机粘结剂的浸渗，真空环境为0.1KPa-50KPa，浸渗压力为0.1MPa-1MPa，浸渗温度为10℃-100℃，浸渗时间5min-60min，最后在室温下自然风干12-48h；
E、砂型/芯的浸涂或喷涂惰性材料涂层
再在砂型型腔表面和砂芯表面浸涂或喷涂惰性材料涂料，形成惰性材料涂层；
F、砂型/芯的埋砂高温焙烧工艺
待惰性材料涂层干燥后，最后进行砂型/芯的阶梯型的埋砂高温焙烧，焙烧温度300-1250℃，保温时间30-480min，出炉冷至300℃-室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯。
步骤A中，所述的原砂材料分别为宝珠砂、锆砂、刚玉砂、铝矾土、锆英砂和石英砂颗粒材料的一种，原砂的粒径大小范围为40目-400目。
所述添加剂分别为硬脂酸钙粉末、聚酰亚胺树脂粉末、铝酸钙粉末、铝酸钡粉末、铝酸钡锆粉末、氧化钇粉末和氧化铁粉末中的一种，或二种组合，研磨过筛后的粒径大小范围70目-800目。
所述加工助剂分别为羟甲基淀粉钠、聚乙烯醇PVA粉末、聚苯乙烯PS粉和聚氨基甲酸酯PU粉末中的一种，或二种组合，研磨过筛后的粒径大小范围70目-800目。
所述烧结助剂分别为ZrO2、TiO2、CaO、MgO、Y2O3和CeO2粉末中一种，或二种组合，球磨过筛后的粒径大小范围0.01-100µm。
步骤C中，3DP技术成形的砂型/芯，将未烧结固化的支撑砂粒用压缩空气吹干净，待砂型/芯清理干净后准备无机粘结剂的浸渗；而SLS技术成形的砂型/芯先直接煤气喷灯表面喷烧，尤其注意局部细小结构部位，提高砂型/芯表面强度，防止砂型/芯精细结构部分在搬移过程中的断裂或损坏问题，再将采用SLS技术成形的砂型/芯置于鼓风烘箱中进行低温埋砂焙烧，待砂型/芯冷却至100℃-室温，将应用于砂型/芯的支撑清除。
所述的埋砂材料为玻璃微珠、宝珠砂和石英砂中的一种，过筛后粒径大小范围为40目-800目。
步骤D中，所述的无机粘结剂为硅溶胶、改性硅溶胶、水玻璃、磷酸二氢铝溶液、磷酸氢二钠溶液、磷酸二氢镁溶液、六偏磷酸钠溶液、磷酸锆溶液和硅酸乙酯水解液中的一种，或二种组合。
步骤E中，所述的惰性涂料为氧化钇涂料、氧化锆涂料和氧化钍涂料中的一种。
步骤F中，所述的埋砂材料为刚玉砂、铝矾土、锆砂和宝珠砂中一种，或二种组合，过筛后粒径大小范围为40目-800目；所述的埋砂高温焙烧为阶梯状升温，焙烧分为三个阶段：第一阶段，从室温升至T1，保温N1分钟，用于排气，第二阶段，从T1升至T2，保温N2分钟，用于烧蚀树脂，第三阶段，从T2升至T3，保温N3分钟，用于烧结3D打印成形的砂型/芯；其中T1为200-500℃，N1为30-180min，T2为600-850℃，N2为60-180min，T3为900-1250℃，N3为90-480min；出炉冷至300℃-室温，得到钛合金铸造用的砂型/芯。
针对目前3D打印的砂型/芯因仅采用有机粘结剂，砂型/芯没有高温强度、发气量较大、且砂型/芯的表面没有稳定的惰性材料涂层、不能用于浇注化学性质活泼的钛合金的问题，采用了对3D打印的砂型/芯进行真空压力浸渗无机粘结剂的工艺方法，在3D打印的型砂材料中添加了加工助剂、高温烧结助剂和添加剂，实现了砂型/芯的有效浸渗；并在砂型/芯的浸涂或喷涂惰性材料涂层后，经埋砂高温焙烧，无模快速制备了复杂的整体砂型/芯。制备的砂型/芯具有优良的高温强度及低发气性，不开裂，且惰性涂层稳定，应用于钛合金铸造具有生产效率高、成本低及安全等优点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程简图；
图2为本发明中砂型/芯的高温焙烧曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
1）对宝珠砂颗粒进行筛分，得到100/200目的三筛砂，将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径范围为140目-400目的均匀酚醛树脂粉末；采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中：粒径范围140目-400目的酚醛树脂粉末加入量占上述的三筛砂的1.9wt%，硅烷偶联剂KH550加入量占酚醛树脂粉末的1wt%，配成质量分数为10%的KH550水溶液，和六亚甲基四胺加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为12%，配成质量分数为50%的六亚甲基四胺水溶液，将酚醛树脂粉末、KH550水溶液热法、六亚甲基四胺水溶液和宝珠砂热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）加入粒径范围为140目-400目的硬脂酸钙粉末和聚乙烯醇粉末PVA粉末，加入量分别为原砂重量的5wt%和0.5wt%；
3）加入粒径范围为20-50nm的纳米ZrO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的0.5wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于选区激光烧结成形用的型砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行SLS成形，得到SLS成形的砂型/芯；
6）SLS成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒清除，并在砂型/芯表面直接喷烧，提高砂型/芯表面强度；
7）将SLS成形的砂型/芯埋入玻璃微珠中进行170℃×180min的低温焙烧，待砂型/芯冷却至室温，再将因工艺设计要求的应用于砂型/芯支撑清除；
8）将低温埋砂焙烧后的砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行模数为2.0的水玻璃的真空压力浸渗，其中真空度为0.8KPa，浸渗压力为0.1MPa，浸渗温度为20℃，浸渗时间为50min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥15h；
9）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化钇涂料，形成惰性材料涂层；
10）待惰性材料涂层干燥后，在300℃+90min，500℃+90min，及1050℃+200min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为100目-800目的刚玉粉，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，制得的砂型/芯的抗拉强度为2.35MPa，抗弯强度为5.46MPa，且砂型/芯表面平整，无裂纹。
实施例2：
1）对铝矾土颗粒进行筛分，得到50/100目的三筛砂，将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径范围为70目-200目的均匀酚醛树脂粉末；采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中粒径范围70目-200目的酚醛树脂粉末加入量占上述的三筛砂的2.5wt%，硅烷偶联剂KH550加入量占酚醛树脂粉末的1wt%，配成质量分数为10%的KH550水溶液，和六亚甲基四胺加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为12%，配成质量分数为50%的六亚甲基四胺水溶液，将酚醛树脂粉末、KH550水溶液热法、六亚甲基四胺水溶液和铝矾土热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）加入粒径范围70目-200目硬脂酸钙粉末和聚苯乙烯PS粉，加入量分别为原砂重量的7wt%和2.5wt%；
3）加入粒径范围为50-100nm的纳米Y2O3作为烧结助剂，加入量为原砂重量的1wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于选区激光烧结成形用的型砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行SLS成形，得到SLS成形的砂型/芯；
6）SLS成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒清除，并在砂型/芯表面直接喷烧，提高砂型/芯表面强度；
7）将SLS成形的砂型/芯埋入玻璃微珠中进行190℃×90min的低温焙烧，待砂型/芯冷却至室温，再将因工艺设计要求的应用于砂型/芯支撑清除；
8）将低温埋砂焙烧后的砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行磷酸二氢铝溶液的浸渗，其中真空度为45KPa，浸渗压力为0.1MPa，浸渗温度50℃，浸渗时间20min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥18h；
9）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化钍涂料，形成惰性材料涂层；
10）待惰性材料涂层干燥后，在400℃+120min，600℃+120min，及1100℃+240min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为200~400目铝矾土粉末，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为2.82MPa，抗弯强度为6.56MPa，砂型/芯表面平整，无裂纹。
实施例3：
1）对刚玉砂颗粒进行筛分，得到70/140目的三筛砂，将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径范围为100目-200目的均匀酚醛树脂粉末；采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中酚醛树脂粉末加入量占上述的三筛砂的3.5wt%，硅烷偶联剂KH550加入量占酚醛树脂粉末的1wt%，配成质量分数为10%的KH550水溶液，和六亚甲基四胺加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为12%，配成质量分数为50%的六亚甲基四胺水溶液，将酚醛树脂粉末、KH550水溶液热法、六亚甲基四胺水溶液和刚玉砂热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）加入粒径范围100目-200目硬脂酸钙粉末和聚氨基甲酸酯PU粉末，加入量分别为原砂重量的5wt%和1wt%；
3）加入重量比例为1:1，粒径范围为10-50µm的的CaO和MgO作为烧结助剂，加入量为原砂重量的4.5wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于选区激光烧结成形用的覆膜砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行SLS成形，得到SLS成形的砂型/芯；
6）SLS成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒清除，并在砂型/芯表面直接喷烧，提高砂型/芯表面强度；
7）将SLS成形的砂型/芯埋入宝珠砂中进行210℃×60min的低温焙烧，待砂型/芯冷却至室温，再将因工艺设计要求的应用于砂型/芯支撑清除；
8）将低温埋砂焙烧后的砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行改性硅溶胶溶液与磷酸二氢铝混合溶液（质量分数1:1）的浸渗，其中真空度为10KPa，浸渗压力为0.2MPa，浸渗温度70℃，浸渗时间70min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥20h；
9）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化锆涂料，形成惰性材料涂层；
10）待惰性材料涂层干燥后，在500℃+150min，700℃+150min，及1150℃+300min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为200~600目刚玉粉末，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为2.59MPa，抗弯强度为5.75MPa，砂型/芯表面平整，无裂纹。
实施例4：
1）对锆砂颗粒进行筛分，得到50/100目的三筛砂，将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径范围为100目-200目的均匀酚醛树脂粉末；采用热法覆膜法制备酚醛树脂覆膜砂，其中酚醛树脂粉末加入量占上述的三筛砂的3.5wt%，硅烷偶联剂KH550加入量占酚醛树脂粉末的1wt%，配成质量分数为10%的KH550水溶液，和六亚甲基四胺加入量占酚醛树脂粉末的质量分数为12%，配成质量分数为50%的六亚甲基四胺水溶液，将酚醛树脂粉末、KH550水溶液热法、六亚甲基四胺水溶液和锆砂热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）加入粒径范围100目-200目硬脂酸钙粉末和聚苯乙烯PS粉，加入量分别为原砂重量的2wt%和0.5wt%；
3）加入粒径范围为120-150nm的纳米CeO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的2.5wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于选区激光烧结成形用的覆膜砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行SLS成形，得到SLS成形的砂型/芯；
6）SLS成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒清除，并在砂型/芯表面直接喷烧，提高砂型/芯表面强度；
7）将SLS成形的砂型/芯埋入玻璃微珠中进行240℃×30min的低温焙烧，待砂型/芯冷却至室温，再将因工艺设计要求的应用于砂型/芯支撑清除；
8）将低温埋砂焙烧后的砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行改性硅溶胶的浸渗，其中真空度为0.5KPa，浸渗压力为0.7MPa，浸渗温度100℃，浸渗时间120min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥24h；
9）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化钇涂料，形成惰性材料涂层；
10）待惰性材料涂层干燥后，在300℃+90min，500℃+90min，及1250℃+200min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为粒度范围100目-300目的锆砂粉末，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为2.98MPa，抗弯强度为5.86MPa，砂型/芯表面平整，无裂纹。
实施例5：
1）对宝珠砂颗粒进行筛分，得到50/100目的三筛砂；
2）加入粒径范围70目-200目硬脂酸钙粉末和羟甲基淀粉钠，加入量分别为原砂重量的3wt%和1.2wt%；
3）加入粒径范围为50-100nm的纳米TiO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的1.5wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于3DP打印用的型砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行3DP打印成形，得到3DP打印成形的砂型/芯；
6）3DP打印成形砂型/芯后，将用于支撑砂粒清除；
7）将3DP打印成形砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行磷酸二氢铝溶液的浸渗，其中真空度为1.5KPa，浸渗压力为0.1MPa，浸渗温度40℃，浸渗时间30min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥15h；
8）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化钍涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，在400℃+90min，600℃+90min，及1100℃+360min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为200~400目的球形氧化铝粉末，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为3.46MPa，抗弯强度为6.23MPa，砂型/芯表面平整，无裂纹。
实施例6：
1）对锆砂颗粒进行筛分，得到50/100目的三筛砂；
2）加入粒径范围70目-200目硬脂酸钙粉末和羟甲基淀粉钠，加入量分别为原砂重量的5wt%和0.6wt%；
3）加入粒径范围为20-50nm的纳米ZrO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的1.2wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于3DP打印用的型砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行3DP打印成形，得到3DP打印成形的砂型/芯；
6）3DP打印成形砂型/芯后，将用于支撑砂粒清除；
7）将3DP打印成形砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行模数18水玻璃溶液的浸渗，其中真空度为2.5KPa，浸渗压力为0.2MPa，浸渗温度60℃，浸渗时间30min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥24h；
8）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化钇涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，在400℃+90min，600℃+90min，及1200℃+450min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为100目-300目的锆砂粉末，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为3.57MPa，抗弯强度为6.72MPa，砂型/芯表面平整，无裂纹。
实施例7：
1）对石英砂颗粒进行筛分，得到70/140目的三筛砂。
2）加入粒径范围100目-200目硬脂酸钙粉末、氧化钇粉末和聚苯乙烯粉末，加入量分别为原砂重量的3wt%、0.6wt%和3.6wt%；
3）加入粒径范围为20-50nm的纳米ZrO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的1.0wt%；
4）将上述材料混合均匀，得到适用于3DP打印用的型砂材料；
5）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的型砂材料按常规方法进行3DP打印成形，得到3DP打印成形的砂型/芯；
6）3DP打印成形砂型/芯后，将用于支撑砂粒清除；
7）将3DP打印成形砂型/芯置于真空压力浸渗装置内进行磷酸二氢铝溶液的浸渗，其中真空度为25KPa，浸渗压力为0.5MPa，浸渗温度80℃，浸渗时间45min，待浸渗完成后，取出砂型/芯置于室温下自然干燥24h；
8）再在干燥后的砂型/芯表面喷涂氧化钍涂料，形成惰性材料涂层。
9）待惰性材料涂层干燥后，在300℃+70min，650℃+90min，及1050℃+240min进行埋砂高温焙烧，埋砂材料为50目-100目的铝矾土粉末，出炉冷至室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为4.27MPa，抗弯强度为7.53MPa，砂型/芯表面平整，无裂纹。
Claims (10)
1.一种基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：工艺步骤如下：
A、适用于3D打印的型砂材料的制备
在原砂材料中加入原砂重量1-10wt%的添加剂，加入原砂重量0.1-5wt%的加工助剂和原砂重量0.1-5wt%的烧结助剂，将所述添加剂、加工助剂和烧结助剂的组合按设定的比例加入到原砂中，充分混合均匀，筛分并包装，得到适合于钛合金铸造的3DP用的型砂材料；或采用热法覆膜工艺对原砂材料进行酚醛树脂覆膜处理，得到酚醛树脂覆膜砂，在制得的酚醛树脂覆膜砂中加入原砂重量1-10wt%的添加剂，以及加入原砂重量0.1-5wt%的加工助剂和原砂重量0.1-5wt%烧结助剂，充分混合均匀，筛分后密封包装，得到适合于钛合金铸造用的SLS成形型砂材料；
B、3D打印成形砂型/芯
将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对3DP用的型砂材料或SLS成形型砂材料按常规方法进行3D打印成形，得到3D打印成形的砂型/芯；
C、清砂、SLS技术成形的砂型/芯表面喷烧与埋砂低温焙烧
采用3DP技术制备的砂型/芯成形后，将未固化连接的支撑砂粒清除；而采用SLS技术成形的砂型/芯先直接进行表面喷烧，以提高砂型/芯表面强度，再将采用SLS技术成形的砂型/芯置于鼓风烘箱中，在150-250℃下进行低温阶段的埋砂焙烧30-180min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至100℃-室温，将因工艺设计要求的应用于砂型/芯的支撑清除；
D、砂型/芯的无机粘结剂真空压力浸渗
将采用3DP技术制备的砂型/芯、或低温焙烧后的SLS成形砂型/芯置于真空压力浸渗装置中进行无机粘结剂的浸渗，真空环境为0.1KPa-50KPa，浸渗压力为0.1MPa-1MPa，浸渗温度为10℃-100℃，浸渗时间5min-60min，最后在室温下自然风干12-48h；
砂型/芯的浸涂或喷涂惰性材料涂层
再在砂型型腔表面和砂芯表面浸涂或喷涂惰性材料涂料，形成惰性材料涂层；
F、砂型/芯的埋砂高温焙烧工艺
待惰性材料涂层干燥后，最后进行砂型/芯的阶梯型的埋砂高温焙烧，焙烧温度300-1250℃，保温时间30-480min，出炉冷至300℃-室温，即制得钛合金铸造用的砂型/芯。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述的原砂材料分别为宝珠砂、锆砂、刚玉砂、铝矾土、锆英砂和石英砂颗粒材料的一种，原砂的粒径大小范围为40目-400目。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：所述添加剂分别为硬脂酸钙粉末、聚酰亚胺树脂粉末、铝酸钙粉末、铝酸钡粉末、铝酸钡锆粉末、氧化钇粉末和氧化铁粉末中的一种，或二种组合，研磨过筛后的粒径大小范围70目-800目。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：所述加工助剂分别为羟甲基淀粉钠、聚乙烯醇PVA粉末、聚苯乙烯PS粉和聚氨基甲酸酯PU粉末中的一种，或二种组合，研磨过筛后的粒径大小范围70目-800目。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：所述烧结助剂分别为ZrO2、TiO2、CaO、MgO、Y2O3和CeO2粉末中一种，或二种组合，球磨过筛后粒径大小范围0.01-100µm。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：步骤C中，3D打印成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒用压缩空气吹干净，待砂型/芯清理干净后准备无机粘结剂的浸渗；而SLS成形的砂型/芯直接煤气喷灯表面喷烧，尤其注意局部细小结构部位，提高砂型/芯表面强度，防止砂型/芯精细结构部分在搬移过程中的断裂或损坏问题。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：所述的埋砂材料为玻璃微珠、宝珠砂和石英砂中的一种，过筛后粒径大小范围为40目-800目。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：步骤D中，所述的无机粘结剂为硅溶胶、改性硅溶胶、水玻璃、磷酸二氢铝溶液、磷酸氢二钠溶液、磷酸二氢镁溶液、六偏磷酸钠溶液、磷酸锆溶液和硅酸乙酯水解液中的一种，或二种组合。
9.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：步骤E中，所述的惰性涂料为氧化钇涂料、氧化锆涂料和氧化钍涂料中的一种。
10.根据权利要求1所述的基于3D打印的钛合金铸造用砂型/芯的制备方法，其特征在于：步骤F中，所述的埋砂材料为刚玉砂、铝矾土、锆砂和宝珠砂中一种，或二种组合，过筛后粒径大小范围为40目-800目；所述的埋砂高温焙烧为阶梯状升温，焙烧分为三个阶段：第一阶段，从室温升至T1，保温N1分钟，用于排气，第二阶段，从T1升至T2，保温N2分钟，用于烧蚀树脂，第三阶段，从T2升至T3，保温N3分钟，用于烧结3D打印成形的砂型/芯；其中T1为200-500℃，N1为30-180min，T2为600-850℃，N2为60-180min，T3为900-1250℃，N3为90-480min；出炉冷至300℃-室温，得到钛合金铸造用的砂型/芯。
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|---|---|---|---|---|
| CN117548622A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-02-13 | 中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司 | 一种选区激光烧结用覆膜砂及其制备方法 |
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2023
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|---|---|---|---|---|
| CN117548622A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-02-13 | 中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司 | 一种选区激光烧结用覆膜砂及其制备方法 |
| CN117548622B (zh) * | 2024-01-05 | 2024-03-12 | 中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司 | 一种选区激光烧结用覆膜砂及其制备方法 |
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