用于钛合金精密铸造的低成本氧化物陶瓷型壳的制备方法

摘要

用于钛合金精密铸造的低成本氧化物陶瓷型壳的制备方法，它涉及用于钛合金铸造的氧化物陶瓷型壳的制备工艺。本发明涂料制好后，将铸件的蜡模浸入涂料中10～20分钟取出，当蜡模上剩余的涂料流动均匀而不再连续下滴时，冻凝开始，即可撒砂，将经过粒度级配的电熔白刚玉粉均匀地撒在涂挂了涂料的蜡模上，将干燥好的涂挂面层涂料的蜡模放入高压脱蜡釜中进行高压蒸汽脱蜡。本发明具有以下优点：1.采用的面层粘结剂材料和型壳材料价格相对于传统ZrO2，Y2O3及锆溶胶等价格低廉，来源广泛。2.型壳为氧化物复合陶瓷型壳，制壳工艺简单，型壳强度高。3.该材料和制壳工艺可以制造出高表面质量、薄壁复杂耐热钛合金铸件。

说明书

技术领域：

本发明涉及用于钛合金熔模精密铸造的氧化物陶瓷型壳的制备工艺。

背景技术：

随着科学技术的日益发展，钛合金的应用也日趋广泛，从航空航天工业中的火箭、飞机，到医疗领域中的人造关节，以及航海、化工、体育等方面，钛合金都以其优异的性能而备受青睐。它有比强度高、比刚度高、抗蚀性好、耐热性强等特点，使得钛合金成为最有发展前途的现代结构材料之一。但是，钛是一种非常活泼的金属元素，特别是在高温下易于与其它元素发生化学反应。熔融钛液几乎与所有的耐火材料有不同程度的化学反应，这使得钛合金的铸造必须采用高化学稳定性的特殊造型材料与粘结剂，以免高温钛液与其发生化学反应，进而减轻以至消除在钛铸件表面形成污染层。钛合金熔模精密铸造工艺特别适用于批量制造、无加工余量及难于机加工的复杂构件。与机加工艺相比，可大幅度降低生产成本并缩短制造工期。在其各工序中，熔模型壳的制备工艺是最大难点。目前，常用的型壳面层耐火材料，大致可分为石墨粉、惰性氧化物陶瓷粉(如ZrO₂，Y₂O₃等)和金属钨粉等。较为成熟的石墨型(包括捣实石墨型和机加石墨型)及金属钨面层成形工艺，它们存在的缺点是铸型导热快，铸件表面容易出现冷隔等缺陷。其中，采用石墨型生产出的铸件不仅有0.1～0.15mm的α污染层，而且具有较大的收缩率，因此只适合生产中小型铸件；钨面层陶瓷型壳，由于其好的导热性，难以铸造壁厚较小的薄铸件，它的工艺过程复杂，原材料成本高，影响钛合金精铸件销售竞争能力，而且其焙烧工艺需要专用炉。采用氧化钍型壳工艺，可生产出各种大型复杂钛精铸件，但存在型壳放射性问题。采用电熔氧化钇及氧化锆制壳，可浇注出薄壁钛铸件，因成本太高，未能在生产中推广应用。粘结剂是钛合金熔模精铸工艺中非常关键的环节，型壳的性能与粘结剂的性质有密切的关系。锆溶胶、二醋酸锆以及锆的有机化合物是目前钛合金熔模精密铸造中常用的粘结剂。该类粘结剂焙烧后的产物是ZrO₂，相当于ZrO₂耐火材料，但在型壳强度、脱蜡及与液钛反应方面还存在一些问题。由于ZrO₂，Y₂O₃等面层材料及钇溶胶、锆溶胶、二醋酸锆以及锆的有机化合物等原料价格昂贵，造成钛合金生产成本过高，影响了钛合金熔模精密铸造的大批量生产以及该工艺的推广应用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于钛合金精密铸造的低成本氧化物陶瓷型壳的制备方法，它具有原材料价格低廉，来源广泛，制壳工艺简单，型壳强度高的特点。本发明的方法是按下述步骤实现的：一、面层涂料的制备：在粘结剂中加入粒度级配好的刚玉粉，一边加入一边搅拌，刚玉粉全部加入后仍再搅拌1小时，涂料的粘度控制在80～100s(涂-4粘度计)；二、型壳的制备：涂料制好后，将铸件的蜡模浸入涂料中10～20分钟取出，当蜡模上剩余的涂料流动均匀而不再连续下滴时，冻凝开始，即可撒砂，将经过粒度级配的电熔白刚玉粉均匀地撒在涂挂了涂料的蜡模上，撒砂要均匀，全面，然后在这个基础上再进行涂挂和撒砂，每涂挂和撒砂一层后，必须进行充分干燥和硬化；三、型壳的脱蜡：将干燥好的涂挂面层涂料的蜡模放入高压脱蜡釜中进行高压蒸汽脱蜡；四、将已经脱蜡完毕的型壳放入电阻焙烧炉中进行焙烧，然后随炉冷却至室温即可。所述步骤一中粒度级配好的刚玉粉粗粉的粒度为200～300目，细粉的粒度＜300目，粗粉与细粉的重量比为3∶1.5～3∶2.5，涂料的粉液比为2.5∶1～4∶1(粉料为重量单位：kg，粘结剂为体积单位：L)；所述步骤二中第一、第二层的涂挂撒砂所用粒度级配的电熔白刚玉粉的粒度为100～200目，涂料所用粘结剂为SiO₂系粘结剂，第三层以后涂挂撒砂所用的粉料为莫来石，粒度为20～200目，涂料所用粘结剂为SiO₂系溶胶；涂挂撒砂的层数为8～10层；所述步骤二中的干燥分两次进行，首先是在室温条件下，湿度为50％，通风良好的环境下放置16～24小时自然干燥，然后是在氨气干燥箱中放置1～3小时强制干燥；所述步骤三中高压蒸汽脱蜡的压力为0.4～0.6Mpa，脱蜡时间为8～16分钟；所述步骤四中的焙烧是从500℃开始焙烧，升温至1200℃后保持温度2小时。本发明制备的型壳，在水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中进行了离心浇注实验，在离心转速为300～400rpm，型壳预热温度为200～400摄氏度的条件下，型壳经受住1700摄氏度钛液的充填，成功地浇注出某型号发动机进气道铸件，满足了钛合金熔模精密铸造工艺的要求。本发明具有以下优点：1、采用的面层粘结剂材料和型壳材料价格相对于传统ZrO₂，Y₂O₃及锆溶胶等，原材料价格低廉，来源广泛，有利于实际应用。2、型壳为氧化物复合陶瓷型壳，制壳工艺简单，型壳强度高。3、该材料和制壳工艺可以制造出高表面质量、薄壁复杂耐热钛合金铸件，表面粗糙度Ra达到3.2μm以下，表面污染层厚度＜100μm。

具体实施方式：

本实施方式的步骤为：一、面层涂料的制备：在粘结剂中加入粒度级配好的刚玉粉，一边加入一边搅拌，刚玉粉全部加入后仍再搅拌1小时。涂料的粘度控制在80～100s(涂-4粘度计)；二、型壳的制备：涂料制好后，将铸件的蜡模浸入涂料中10～20分钟取出，当蜡模上剩余的涂料流动均匀而不再连续下滴时，冻凝开始，即可撒砂，将经过粒度级配的电熔白刚玉粉均匀地撒在涂挂了涂料的蜡模上，撒砂要均匀，全面。然后在这个基础上再进行涂挂和撒砂，每涂挂和撒砂一层后，必须进行充分干燥和硬化；三、型壳的脱蜡：将干燥好的涂挂面层涂料的蜡模放入高压脱蜡釜中进行高压蒸汽脱蜡；四、将已经脱蜡完毕的型壳放入电阻焙烧炉中进行焙烧，然后随炉冷却至室温即可。所述步骤一中粒度级配好的刚玉粉粗粉的粒度为200～300目，细粉的粒度＜300目，粗粉与细粉的比例为3∶1.5～3∶2.5，涂料的粉液比为2.5∶1～4∶1(粉料为重量单位：kg，粘结剂为体积单位：L)；所述步骤二中第一、第二层的涂挂撒砂所用粒度级配的电熔白刚玉粉的粒度为100～200目，涂料所用粘结剂为SiO₂系粘结剂，第三层以后涂挂撒砂所用的粉料为莫来石，粒度为20～200目，涂料所用粘结剂为SiO₂系溶胶；涂挂撒砂的层数为8～10层；所述步骤二中的干燥分两次进行，首先是在室温条件下，湿度为50％，通风良好的环境下放置16～24小时自然干燥，然后是在氨气干燥箱中放置1～3小时强制干燥；所述步骤三中高压蒸汽脱蜡的压力为0.4～0.6Mpa，脱蜡时间为8～16分钟；所述步骤四中的焙烧是从500℃开始焙烧，升温至1200℃后保持温度2小时。