基于SLS覆膜锆砂砂型的钛合金快速铸造工艺研究

摘要

采用激光选区烧结（Selective Laser Sintering,SLS）技术直接成形砂型砂芯，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SLS成形砂型（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、黏砂、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。因此，研究适合于钛合金铸造的SLS用的砂型材料和制备工艺，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。
　　本文结合SLS成形和钛合金铸造的特点，选用高温稳定性、导热性好的锆砂为原砂材料，氧化钇（Y2O3）、酚醛树脂及钇溶胶分别为填充材料和粘结剂；在锆砂热、冷覆膜试验的基础上，着重进行了覆膜锆砂的激光烧结成形、后固化及钇溶胶浸渗、Y2O3喷涂及焙烧处理研究。其中，重点研究了激光功率、单层扫描面积和Y2O3添加量等对覆膜锆砂激光烧结件初强度的影响规律及其作用机制，并进一步探讨了焙烧温度对SLS锆砂砂型的拉伸强度、发气量的影响；另外，还进行了纯钛的SLS锆砂砂型浇铸实验，初步探讨了SLS锆砂砂型表面与钛铸件的界面反应机理。其主要研究结果如下：
　　在相同酚醛树脂含量的条件下，锆砂的热法覆膜强度明显高于冷法，而且热法覆膜的覆膜锆砂中添加的Y2O3粉末分散更趋均匀；而覆膜锆砂的激光烧结成形发现，单层扫描面积对锆砂烧结件的力学性能有显著影响，随单层扫描面积的增加，锆砂激光烧结件的初强度大幅降低，严重影响了锆砂砂型的激光烧结成形。
　　2wt％树脂含量的覆膜锆砂的合理激光烧结成形工艺参数为：扫描间距0.15mm，预热温度55℃，铺粉层厚0.2mm，激光功率35W，扫描速度2000mm/s；在单层扫描面积57cm2，其锆砂激光烧结件初强度为0.27MPa，170℃固化处理的拉伸强度达到2.14MPa，且锆砂砂型轮廓清晰，表面光滑平整。
　　覆膜锆砂中Y2O3添加量≤0.5wt%，对锆砂的SLS成形影响小；但随着Y2O3粉添加量的持续递增， SLS覆膜锆砂的初强度迅速下降；其中， Y2O3添加量1.5wt%时，SLS覆膜锆砂的初强度为0.15MPa，经170℃固化后，其抗拉强度达到1.67MPa，分别为未添加Y2O3覆膜锆砂的55.5%、78.2%。
　　SLS锆砂砂型的钇溶胶浸渗实验表明，钇溶胶已浸入SLS锆砂砂型内部约2-3mm，并在锆砂砂型表面形成了光滑胶凝薄膜，强化了锆砂砂型表面强度；在Y2O3涂料粉液比为0.667时，SLS锆砂砂型砂芯表面的Y2O3涂层失水胶凝后，涂层表面光滑、无开裂等现象，层厚均匀，且Y2O3涂层与锆砂砂型结合良好。
　　焙烧温度对SLS锆砂砂型的强度影响较小，随着焙烧温度的升高，SLS锆砂砂型的抗拉强度缓慢下降；而对浸渗有钇溶胶的SLS锆砂砂型的发气量有明显的影响，随焙烧温度的提高，其发气量迅速减小；在焙烧温度250℃时，浸渗有钇溶胶的SLS锆砂砂型抗拉强度为2.01MPa，发气量5.21ml/g，SLS锆砂砂型的综合性能表现最好。
　　采用SLS锆砂砂型（芯）浇铸的纯钛铸件轮廓清晰、表面光亮，没有发现明显的铸造缺陷，砂型中的Y2O3有效阻隔了熔融Ti与锆砂颗粒的接触，避免了锆砂中Si、Zr和O元素的扩散迁移，减小了界面反应程度；同时，SEM+EDS分析也表明，SLS锆砂砂型与钛铸件界面反应厚度仅约3μm，铸件表面氧化层产物为TinO2n-1和TiO2，O扩散富集固溶层厚度约1μm，且在扩散富集层中没有发现Y和Zr元素；相比采用Y2O3作为耐火材料的熔模铸造界面反应层厚度大幅减小。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 钛合金铸造国内外研究现状

1.3 覆膜砂激光选区烧结（SLS）快速成形技术研究现状

1.4 研究目的、意义及主要内容

第二章 实验材料、设备与实验方案

2.1 实验材料

2.2 实验条件及测试仪器

2.3 实验方案

第三章 覆膜锆砂的制备及SLS成形工艺研究

3.1 覆膜锆砂不同制备方法导致的性能差异及分析

3.2 激光选区烧结（SLS）工艺研究

3.3 添加Y2O3粉的覆膜锆砂其SLS成形工艺

3.4 SLS成形制备覆膜锆砂砂型砂芯

3.5 本章小结

第四章 SLS覆膜锆砂后处理工艺研究

4.1 SLS砂型型腔表面浸渗工艺研究

4.2 SLS砂型型腔表面喷涂工艺研究

4.3 SLS砂型焙烧工艺研究

4.4 本章小结

第五章 SLS锆砂砂型与钛铸件的界面反应研究

5.1 SLS锆砂砂型钛铸件表面生成物分析

5.2 SLS锆砂砂型钛铸件的界面反应厚度

5.3 SLS锆砂砂型钛铸件界面反应机理

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和参与科研项目

致谢

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