CN115945641A - 一种钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，采用了配制一种有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料的工艺思路，通过在3D打印的型砂材料中添加无机粘结剂、加工助剂、烧结助剂和添加剂，并经低温、高温埋砂焙烧，无模快速制备了适合于钛合金铸造的砂型/芯；该方法制备的砂型/芯具有优良的高温强度及低发气性、尺寸精度高、不开裂、惰性涂层稳定、生产效率高、成本低和安全等优点，从而实现了复杂结构的钛合金砂型铸造。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金砂型铸造技术领域，尤其是涉及一种钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法。
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，熔融钛与砂型/芯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/芯制备方法难以快速制备复杂砂型，尤其是复杂异形的砂型/芯，且砂型/芯尺寸精度也无法保证，这些问题限制了钛合金砂型铸造的发展。
因此，寻找一种制造成本低、生产周期短、尺寸精度高的钛合金快速制造成形工艺是当下人们关注的焦点。随着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，并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(Selective Laser Sintering, SLS）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覆膜砂型/芯在钛合金铸造中的应用。相比于传统造型技术，SLS成形的砂型/芯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。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。因此，研究适合于钛合金铸造的SLS用的型砂材料和砂型/芯制备工艺，对于推广SLS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钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，特征是：工艺步骤如下：
A、适用于SLS用的有机粘结剂+无机粘结剂型砂的制备
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1-15wt%的无机粘结剂，加入原砂重量0.5-10wt%的添加剂，原砂重量0.1-5wt%的加工助剂，原砂重量0.1-5wt%的烧结助剂；充分混合均匀，筛分后密封包装，即得到适合于钛合金铸造的SLS成形用的有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料；
B、SLS成形砂型/芯
将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料按常规方法进行SLS成形，得到SLS成形的砂型/芯；
C、清砂与砂型/芯表面喷烧
配制有有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料SLS成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒清除，并对砂型/芯的表面直接进行喷烧，提高砂型/芯的表面强度；
D、低温焙烧与涂层工艺
SLS成形的砂型/芯在150-250℃下进行低温阶段的埋砂焙烧20-180min，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，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；
E、待惰性材料涂层干燥后，最后进行阶梯型的埋砂高温焙烧，焙烧温度300-1250℃，保温时间为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，所述覆膜砂所采用的原砂材料为宝珠砂、锆砂、刚玉砂、铝矾土和石英砂颗粒材料中的一种，过筛后原砂材料的粒径大小范围为40目-400目。
所述无机粘结剂粉末为偏磷酸铝、磷酸二氢铝、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸氢二钠和磷酸二氢铵粉末中的一种，或二种组合，研磨过筛后的粒径范围为70目-800目。
所述添加剂为硬脂酸钙粉末、铝酸钙粉末、铝酸钡粉末、铝酸钡锆粉末、聚酰亚胺树脂粉末、氯化镁、氧化铁和氧化钇粉末中的一种，或多种组合，研磨过筛后的粒径大小范围为70目-800目。
所述加工助剂为羟甲基淀粉钠、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为70目-800目。
所述烧结助剂为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。
将所述无机粘结剂粉末、添加剂、加工助剂和烧结助剂的组合按设定的比例加入到已制得的酚醛树脂覆膜砂中，充分混合均匀，筛分并包装，得到适用于SLS成形用的有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料。
步骤C中，SLS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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，尤其注意局部细小结构部位，提高砂型/芯表面强度，防止砂型砂芯精细结构部分在搬移过程中的断裂或损坏问题。
步骤D中，所述的低温焙烧阶段的埋砂材料为玻璃微珠、石英砂和宝珠砂中的一种，粒径大小范围为40目-800目；所述的惰性材料涂料为氧化钇涂料、氧化锆涂料和氧化钍涂料中的一种。
步骤E中，所述高温焙烧阶段的埋砂材料为刚玉砂、宝珠砂、铝矾土和锆砂中的一种，或二种组合，过筛后的粒径大小范围为40目-800目；所述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SLS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SLS成形的砂型/芯因仅采用有机粘结剂，砂型/芯没有高温强度、发气量较大、且在砂型/芯的表面没有惰性材料涂层、不能用于浇注化学性质活泼的钛合金的问题，本发明采用了配制一种有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料的工艺思路，通过在3D打印的型砂材料中添加无机粘结剂、加工助剂、烧结助剂和添加剂，并经低温、高温埋砂焙烧后，无模快速制备了适合于钛合金铸造的砂型/芯。该方法制备的砂型/芯具有优良的高温强度及低发气性、尺寸精度高、不开裂、惰性材料涂层稳定、生产效率高、成本低和安全等优点，从而实现了复杂结构的钛合金砂型铸造。
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，主含量≥90%，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：酚醛树脂粉末的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）将磷酸二氢铵颗粒碾磨过筛成粒径范围为140目-400目的细粉，加入量为原砂重量的10wt%；
3）加入粒径范围为140目-400目的聚酰亚胺树脂粉末和铝酸钙粉末，各50%，加入量为原砂重量的2wt%；
4）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%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+磷酸二氢铵双粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+磷酸二氢铵双粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）酚醛树脂+磷酸二氢铵粘结剂型砂材料SLS成形砂型/芯后，将未烧结固化的支撑砂粒清除，并对砂型/芯的表面直接喷烧，提高砂型/芯表面强度；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目的玻璃微珠中，在180℃进行焙烧30min，待砂型/芯冷却至室温，将因工艺设计要求的应用于砂型/芯支撑清除，再在砂型型腔表面和砂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，将砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目的铝矾土中，在300℃+90min，650℃+90min，及1050℃+200min进行高温焙烧，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2.31MPa，抗弯强度为5.36MPa，砂型/芯的表面平整，无裂纹。
实施例2：
1）对宝珠砂颗粒进行筛分，得到70/140目的三筛砂，主含量≥90%；将固态热塑性酚醛树脂粉碎成粒径范围为140目-270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2.3wt%，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）将重量比例1:1的磷酸二氢铵、偏磷酸铝碾磨过筛成粒径范围为100目-200目的复合细粉，加入量为原砂重量的12wt%；
3）加入重量比例3:2，粒径范围为100目-200目硬脂酸钙和铝酸钙粉末，加入量为原砂重量的3wt%；加入粒径范围为100目-200目聚苯乙烯PS粉作为加工助剂，加入量为原砂重量的0.6wt%；
4）加入粒径范围为40-80nm的纳米TiO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的0.7wt%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+磷酸二氢铵、偏磷酸铝粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+磷酸二氢铵、偏磷酸铝粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）待选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为50目-200目的石英砂中，在200℃下进行低温阶段的焙烧60min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至50℃，在砂型型腔表面和砂芯表面浸涂氧化锆涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，将砂型/芯埋入粒径范围为50目-200目刚玉砂中，在400℃+120min，600℃+120min，及950℃+250min进行高温焙烧，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3.11MPa，抗弯强度为5.96MPa，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100/200目的三筛砂，主含量≥90%，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3.0wt%，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）将偏磷酸铝颗粒碾磨过筛成粒径范围为100目-200目的细粉，加入量为原砂重量的9wt%；
3）加入重量比例为4:4:2，粒径范围为100目-200目硬脂酸钙、铝酸钙和氧化铁粉末，加入量为原砂重量的5wt%；加入粒径范围为100目-200目氨基甲酸酯PU粉末，加入量为原砂重量的1wt%；
4）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%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+偏磷酸铝双粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+偏磷酸铝双粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）待选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目的宝珠砂中，在210℃下进行低温阶段的焙烧90min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至室温，在砂型型腔表面和砂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，将砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目锆砂中，在500℃+150min，700℃+150min，及1150℃+300min进行高温焙烧，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3.61MPa，抗弯强度为6.43MPa，砂型/芯的表面平整，无裂纹。
实施例4：
1）对锆砂颗粒进行筛分，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锆砂热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）将磷酸二氢铝颗粒碾磨过筛成粒径范围为100目-200目的细粉，加入量为原砂重量的7wt%；
3）加入粒径范围为100目-200目铝酸钙粉末，加入量为原砂重量的3wt%；加入粒径范围为100目-200目聚乙烯醇PVA粉，加入量为原砂重量的0.5wt%；
4）加入粒径范围为100-150nm的纳米Y2O3作为烧结助剂，加入量为原砂重量的0.8wt%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+磷酸二氢铝双粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+磷酸二氢铝双粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）待选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目的宝珠砂中，在190℃下进行低温阶段的焙烧120min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至60℃，在型腔表面和砂芯表面喷涂氧化锆涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，将砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目铝矾土中，在400℃+120min，650℃+120min，及1100℃+200min进行高温焙烧，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2.81MPa，抗弯强度为5.73MPa，砂型/芯的表面平整，无裂纹。
实施例5：
1）对锆砂颗粒进行筛分，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2.7wt%，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）将三聚磷酸钠颗粒碾磨过筛成粒径范围为100目-200目的细粉，加入量为原砂重量的9wt%；
3）加入粒径范围为100目-200目氧化钇粉末，加入量为原砂重量的0.9wt%；加入粒径范围为100目-200目聚氨基甲酸酯PU粉末，加入量为原砂重量的1wt%；
4）加入粒径范围为30-80nm的纳米TiO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的1wt%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+三聚磷酸钠双粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+三聚磷酸钠双粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）待选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目的玻璃微珠中，在200℃下进行低温阶段的焙烧60min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至50℃，在型腔表面和砂芯表面浸涂氧化钇涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，将砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目宝珠砂中，在500℃+150min，700℃+150min，及1150℃+300min进行高温焙烧，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3.31MPa，抗弯强度为6.13MPa，砂型/芯的表面平整，无裂纹。
实施例6：
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2.9wt%，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铝矾土热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）将磷酸氢二钠颗粒碾磨过筛成粒径范围为70目-200目的细粉，加入量为原砂重量的10wt%；
3）加入粒径范围为70目-200目铝酸钡锆粉末，加入量为原砂重量的4wt%；加入粒径范围为70目-200目聚酰亚胺树脂粉末，加入量为原砂重量的1wt%；加入粒径范围为100目-200目羟甲基淀粉钠粉末，加入量为原砂重量的0.6wt%；
4）加入粒径范围为120-180nm的纳米CeO2作为烧结助剂，加入量为原砂重量的0.5wt%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+磷酸二氢铵双粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+磷酸二氢铵双粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）待选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为40目-200目的石英砂中，在180℃下进行低温阶段的焙烧90min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至室温，在砂型型腔表面和砂芯表面浸涂氧化钇涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，将砂型/芯埋入粒径范围为100目-200目铝矾土中，在400℃+150min，650℃+150min，及1050℃+300min进行高温焙烧，出炉冷至室温-300℃，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为3.89MPa，抗弯强度为6.27MPa，砂型/芯的表面平整，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，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3.0wt%，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石英砂热法制得酚醛树脂覆膜砂；
2）将六偏磷酸钠颗粒碾磨过筛成粒径范围为100目-200目的细粉，加入量为原砂重量的12wt%；
3）加入粒径范围为100目-200目硬脂酸钙和铝酸钡锆粉末作为添加剂，加入量为原砂重量的2wt%；加入粒径范围为100目-200目聚苯乙烯PS粉作为加工助剂，加入量为原砂重量的0.8wt%；
4）加入粒径范围为10-50µm的CaO、MgO作为烧结助剂，按重量比例1:1充分混合，加入量为原砂重量的2wt%；
5）将上述材料混合均匀，制得适合于钛合金铸造用的SLS用的酚醛树脂+磷酸二氢铝双粘结剂型砂材料；
6）将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有酚醛树脂+磷酸二氢铝双粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
7）待选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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；
8）将SLS成形的砂型/芯埋入粒径范围为70目-200目的玻璃微珠中，在190℃下进行低温阶段的焙烧120min，低温焙烧后，待砂型/芯冷却至40℃，在型腔表面和砂芯表面浸涂氧化钍涂料，形成惰性材料涂层；
9）待惰性材料涂层干燥后，将砂型/芯埋入粒径范围为70目-200目刚玉砂中，在500℃+150min，700℃+150min，及1050℃+300min进行高温焙烧，出炉冷至室温-300℃，即制得钛合金铸造用的砂型/芯，砂型/芯的抗拉强度为4.24MPa，抗弯强度为6.57MPa，且砂型/芯的表面平整，无裂纹。
Claims (10)
1.一种钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：制备步骤如下：
A、适用于SLS用的有机粘结剂+无机粘结剂型砂的制备
对原砂材料进行酚醛树脂覆膜处理，在制得的覆膜砂中加入原砂重量1-15wt%的无机粘结剂，加入原砂重量0.5-10wt%的添加剂，及加入原砂重量0.1-5wt%的加工助剂，及加入原砂重量0.1-5wt%烧结助剂；充分混合均匀，筛分后密封包装，即得到适合于钛合金铸造的SLS成形用的有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料；
B、选区激光烧结成形砂型/芯
将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形；
C、清砂与砂型/芯表面喷烧
配制有有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料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；
D、低温焙烧与涂层工艺
SLS成形的砂型/芯在150-250℃下进行低温阶段的埋砂焙烧20-180min，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/芯支撑清除，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；
E、待惰性材料涂层干燥后，最后进行阶梯型的埋砂高温焙烧，焙烧温度300-1250℃，保温时间30-480min，出炉冷至室温-300℃，即制得钛合金铸造用的砂型/芯。
2.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于步骤A中，所述覆膜砂所采用的原砂材料为宝珠砂、锆砂、刚玉砂、铝矾土和石英砂颗粒材料中的一种，原砂粒径范围为40目-400目。
3.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：所述无机粘结剂为偏磷酸铝、磷酸二氢铝、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸氢二钠和磷酸二氢铵粉末中的一种，或二种组合，研磨过筛后粒径范围为70目-800目。
4.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：所述添加剂为硬脂酸钙粉末、铝酸钙粉末、铝酸钡粉末、铝酸钡锆粉末、聚酰亚胺树脂粉末和氧化铁粉末中的一种，或多种组合，研磨过筛后粒径范围为70目-800目。
5.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：所述加工助剂为羟甲基淀粉钠、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，研磨过筛后粒径范围为70目-800目。
6.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：所述烧结助剂为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；
将所述无机粘结剂粉末、添加剂、加工助剂和烧结助剂的组合按设定的比例加入到已制得的酚醛树脂覆膜砂中，充分混合均匀，筛分并包装，得到适用于选区激光烧结成形用的有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料。
7.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：步骤B中，将需打印砂型/芯的数模切片处理，再对上述的配制有有机粘结剂+无机粘结剂型砂材料按常规方法进行选区激光烧结成形。
8.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：步骤C中，选区激光烧结成形砂型/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，直接用煤气喷灯进行表面喷烧，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。
9.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：步骤D中，所述的低温焙烧阶段的埋砂材料为玻璃微珠、宝珠砂和石英砂中的一种，其粒径范围为40目-800目；所述的惰性材料涂料为氧化钇涂料、氧化锆涂料和氧化钍涂料中的一种。
10.根据权利要求1所述的钛合金砂型铸造用型砂配制及其复合砂型/芯的选区激光烧结成形方法，其特征在于：步骤E中，所述高温焙烧阶段的埋砂材料为刚玉砂、宝珠砂、铝矾土和锆砂中的一种，或二种组合，过筛后粒径范围为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SLS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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- 2023-01-10 CN CN202310035870.1A patent/CN115945641A/zh active Pending
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| 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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