专利名称：一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化物陶瓷模壳的制备方法。
背景技术：
轻质耐高温结构材料及其制备加工技术是航空航天发展的重要物质基础。 随着新型飞行器的飞行速度提高、飞行速度增长，新型飞行器对轻质耐高温结 构材料的需求极为迫切。而TiAl基合金因其具有密度低(4g/cm3)、强度高 (700MPa)、刚度大(20。C， 175GPa; 700°C， 150GPa)、耐高温(使用温度可达 75(TC)和优异的抗氧化性(80(TC以下抗氧化性较好)的优点，有望取代镍基高温 合金(密度8.7g/cm"而应用于新型飞行器制造。但是，TiAl基合金的室温脆性 低和难加工性是阻碍其通向实用的瓶颈。采用熔模精密铸造技术可以生产出形 状复杂、净成形或近净成形TiAl基合金结构件，大大减少加工工时。然而， 现有TiAl基合金精铸生产过程却存在着制壳干燥慢、铸件生产周期较长及成 本高的问题， 一定程度上影响了 TiAl基合金铸件的研制，大大降低了对航空 航天领域需求的快速反应的能力。
发明内容
发明H的是为了解决现有TiAl基合金精铸生产过程存在着制壳干燥慢、 铸件生产周期较长及成本高的问题，而提供一种熔模精密铸造TiAl基合金模 壳的制备方法。
熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法按以下步骤实施 一、采用 SolidWorks软件设计出三维CAD模型，用magic软件转换后保存为STL文件， 再将STL文ff^的数据信息输送到SLS快速成型机上，用选择性激光烧结技术 逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，而后用工业酒 精对熔模表面与内部进行清洗，晾干；二、将60目铝矾土砂和聚乙烯醇1788 粉末加入到蒸馏水中并以搅拌速度为300 400r/min搅拌至聚乙烯醇1788粉 末均匀包裹于铝矾土砂表面，然后在温度为60 80。C条件下，干燥处理3 4h 并研磨lh;三、将325目氧化锆粉与二醋酸锆按2.5 3.8 : 1的质量比混合后，
4再加入占二醋酸锆体积0.02% 0.08%的脂肪醇聚氧乙烯醚和0.04% 0.07%的 正辛醇，在搅拌速度为300 400r/min条件下搅拌1 2h，然后静置30min， 得面层涂料，而后将熔模浸入面层涂料沾浆10 15s后取出，在熔模上的面层 涂料流动均匀而不再连续下滴后进行面层撒砂、干燥；四、将325目铝矾土粉 与硅溶胶按2.5 3 : 1的质量比混合，得流杯粘度为60 100s的背层涂料， 然后进行背层1 7层涂挂，得模壳；五、将模壳放入箱式电阻炉中，随炉升 温至200 40(TC保温1 2h，然后升温至500 70(TC保温1 2h，继续升温至 900 105(TC保温1 2h，然后随炉冷却至室温，得TiAl基合金精铸用氧化物 陶瓷模壳；六、将TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳放置于水冷铜坩埚真空 感应熔炼炉中，抽真空至10々mbar后进行TiAl基合金熔炼，在TiAl基合金精 铸用氧化物陶瓷模壳预热温度为300 400°C的条件下进行浇铸，得TiAl基合 金铸件；其中步骤二中按0.8 1.5 : 0.8 1.5的质量比称取蒸馏水和铝矾土砂， 再称取占蒸馏水质量0.5% 1.2%的聚乙烯醇1788粉末；步骤三中面层涂料的 流杯粘度为70 110s,撒砂使用的是粒度在30 60目的氧化锆砂；步骤四中 第一层到第六层涂挂包括沾浆和撒砂两个步骤，步骤四中所用撒砂材料为步骤 二中表面包覆聚乙烯醇1788粉末的铝矾土砂和未经处理的铝矶土砂，二者质 量比为1: 1，并混合均匀；第七层在涂挂过程中只进行沾浆，不进行撒砂， 步骤四中涂挂时层与层涂挂间隔时间为20min。
本发明熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法应用了聚乙烯醇1788粉 末吸湿速度快和吸湿性大的特点，节省了层与层间千燥所需时间，从而提高了 TiAl基合金铸件的生产效率。本发明不需要模具，从CAD设计到获得TiAl 基合金精铸件仅需13 15天，较传统方法至少需要45 60天，节省了近2/3 的生产制造周期，大大降低了制造成本。
本发明所得模壳尤其适用于小批量TiAl基合金铸件的试制及生产。
具体实施例方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方 式间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法按以
下步骤实施 一、采用SolidWorks软件设计出三维CAD模型，用magic软件转换后保存为STL文件，再将STL文件的数据信息输送到SLS快速成型机上，用选择性激光烧结技术逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，而后用工业酒精对熔模表面与内部进行清洗，晾干；二、将60目铝矾土砂和聚乙烯醇1788粉末加入到蒸馏水中并以搅拌速度为300 400r/min搅拌至聚乙烯醇1788粉末均匀包裹于铝矾土砂表面，然后在温度为60 80°C条件下，干燥处理3 4h并研磨lh;三、将325目氧化锆粉与二醋酸锆按2.5 3.8 : 1的质量比混合后，再加入占二醋酸锆体积0.02% 0.08%的脂肪醇聚氧乙烯醚和0.04°/。 0.07%的正辛醇，在搅拌速度为300 400r/min条件下搅拌1 2h，然后静置30min，得面层涂料，而后将熔模浸入面层涂料沾浆10 15s后取出，在熔模上的面层涂料流动均匀而不再连续下滴后进行面层撒砂、干燥；四、将325目铝矾土粉与硅溶胶按2.5 3 : 1的质量比混合，得流杯粘度为60 100s的背层涂料，然后进行背层1 7层涂挂，得模壳；五、将模壳放入箱式电阻炉中，随炉升温至200 400'C保温1 2h，然后升温至500 70(TC保温l 2h，继续升温至900 105(TC保温l 2h，然后随炉冷却至室温，得TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳；六、将TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳放置于水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，抽真空至10—2mbar后进行TiAl基合金熔炼，在TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳预热温度为300 40(TC的条件下进行浇铸，得TiAl基合金铸件；其中步骤二中按0.8 1.5 : 0.8 1.5的质量比称取蒸馏水和铝矾土砂，再称取占蒸馏水质量0.5°/。 1.2%的聚乙烯醇1788粉末；步骤三中面层涂料的流杯粘度为70 110s，撒砂使用的是粒度在30 60目的氧化锆砂；步骤四中第一层到第六层涂挂包括沾浆和撒砂两个步骤，步骤四中所用撒砂材料为步骤二中表面包覆聚乙烯醇1788粉末的铝矾土砂和未经处理的铝矾土砂，二者质量比为1: 1，并混合均匀；第七层在涂挂过程中只进行沾浆，不进行撒砂，步骤四中涂挂时层与层涂挂间隔时间为20min。
本实施方式步骤一是应用的SLS技术制备出的熔模，烧结后处理后原型轮廓清晰、强度较高、表面光洁。尺寸精度更高达200mmi0.25，原始粗糙度为Ra25 100^im，经表面处理后达Ra3.2 12.5pm。
本实施方式步骤二中铝矾土砂和聚乙烯醇1788粉末是逐步加入到蒸馏水中的，目的是为了铝矾土表面包覆的聚乙烯醇更加均一。本实施方式步骤三中的撒砂即可采用机器撒砂也可采用手工撒砂。
本实施方式步骤三与步骤四中涂挂的粘度均采用涂-4粘度计进行测量的。本实施方式步骤五中得到的TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳具有不开裂、不分层、不黑壳、内层光洁且精度高的优点。本实施方式中所使用的原材料均在市场购买。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中搅拌速
度为320 380r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中搅拌速
度为350r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一相词。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一、二或三不同的是步骤二
中温度为65 75t。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二或三相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一、二或三不同的是步骤二
中温度为70'C。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二或三相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
四或五不同的是步骤二中干
燥处理时间为3.2 3.8h。其它步骤及参数与具体实施方式
四或五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
四或五不同的是步骤二中干
燥处理时间为3.5h。其它步骤及参数与具体实施方式
四或五相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一、二、三、六或七不同的
是步骤二中按0.9 1.2 : 0.9 1.2的质量比称取蒸馏水和铝矾土砂。其它步骤及参数与具体实施方式
一、二、三、六或七相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一、二、三、六或七不同的
是步骤二中按1 : 1的质量比称取蒸馏水和铝矾土砂。其它步骤及参数与具体
实施方式一、二、三、六或七相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
八或九不同的是步骤二中称
取占蒸馏水质量0.6% 1.0%的聚乙烯醇1788粉末。其它步骤及参数与具体实施方式
八或九相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
八或九不同的是步骤二中
称取占蒸馏水质量0.9%的聚乙烯醇1788粉末。其它步骤及参数与具体实施方式
八或九相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
一至十不同的是步骤三中
325目氧化锆粉与二醋酸锆按2.8 3.2 : 1的质量比混合。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十一不同的是步骤三中325目氧化锆粉与二醋酸锆按3.0 : 1的质量比混合后。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
十二或十三不同的是步骤
三中搅拌速度为320 380r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
十二或十三相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
十二或十三不同的是步骤三中搅拌速度为350r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
十二或十三相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一至十五不同的是步骤三中搅拌时间为1.2 1.8h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十五相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一至十五不同的是步骤三中搅拌时间为1.5h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十五相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
十六或十七不同的是步骤三中加入占二醋酸锆体积为0.04% 0.06%的脂肪醇聚氧乙烯醚和0.06%的正辛醇。其它步骤及参数与具体实施方式
十六或十七相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
十六或十七不同的是加入
占二醋酸锆体积为0.05%的脂肪醇聚氧乙烯醚和0.05%的正辛醇。其它步骤及参数与具体实施方式
十六或十七相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
一至十九不同的是步骤三
中将熔模浸入面层涂料11 14s后取出。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十九相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
一至十九不同的是步骤
三中将熔模浸入面层涂料12s后取出。其它步骤及参数与具体实施方式
一至十
九相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
二十或二十一不同的是
步骤三中面层涂料的流杯粘度为80 100s。其它步骤及参数与具体实施方式
二十或二十一相同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
二十或二十一不同的是 步骤三中面层涂料的流杯粘度为90s。其它步骤及参数与具体实施方式
二十或 二十一相同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
一至二十三不同的是步 骤三中撒砂使用的是粒度在40 50目之间的氧化锆砂。其它步骤及参数与具
体实施方式一至二十三相同。
具体实施方式
二十五..本实施方式与具体实施方式
一至二十三不同的是步
骤三中撒砂使用的是粒度为45目氧化锆砂。其它步骤及参数与具体实施方式
一至二十三相同。
具体实施方式
二十六本实施方式与具体实施方式
二十四或二十五不同的
是步骤三中干燥时间为5 8h。其它步骤及参数与具体实施方式
二十四或二十
五相同。
具体实施方式
二十七本实施方式与具体实施方式
二十四或二十五不同的 是步骤三中干燥时间为7h。其它步骤及参数与具体实施方式
二十四或二十五相同。
具体实施方式
二十八本实施方式与具体实施方式
一至二十七不同的是步
骤四中将325目铝矾土粉与硅溶胶按2.6 2.8 : 1的质量比混合。其它步骤及 参数与具体实施方式
一至二十七相同。
具体实施方式
二十九本实施方式与具体实施方式
一至二十七不同的是步
骤四中将325目铝矾土粉与硅溶胶按2.7 : 1的质量比混合。其它步骤及参数 与具体实施方式
一至二十七相同。
具体实施方式
三十本实施方式与具体实施方式
二十八或二十九不同的是 步骤四中背层涂料的流杯粘度为70 90s。其它步骤及参数与具体实施方式
二 十八或二十九相同。
具体实施方式
三十一本实施方式与具体实施方式
二十八或二十九木同的
是步骤四中背层涂料的流杯粘度为80s。其它步骤及参数与具体实施方式
二十 八或二十九相同。
具体实施方式
三十二本实施方式与具体实施方式
一至三十一不同的是步骤五中随炉升温至240 36(TC保温1.2 1.8h。其它步骤及参数与具体实施方 式一至三十一相同。
具体实施方式
三十三本实施方式与具体实施方式
一至三十一不同的是步 骤五中随炉升温至30(TC保温1.5h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三十 一相同。
具体实施方式
三十四本实施方式与具体实施方式
一至三十一不同的是步 骤五中然后升温至60(TC保温1.5h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三十 一相同。
具体实施方式
三十五本实施方式与具体实施方式
一至三十一不同的是步 骤五中继续升温至IOO(TC保温1.5h。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三 十一相同。
具体实施方式
三十六:本实施方式与具体实施方式
一至三十五不同的是步 骤六中在TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳预热温度为320 38(TC的条件下 进行浇铸。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三十五相同。
具体实施方式
三十七本实施方式与具体实施方式
一至三十五不同的是步 骤六中在TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳预热温度为35(TC的条件下进行 浇铸。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三十五相同。
具体实施方式
三十八本实施方式熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备 方法按以下步骤实施 一、来用SolidWorks软件设计出三维CAD模型，用 magic软件转换后保存为STL文件，再将STL文件的数据信息输送到SLS快 速成型机上，然后用选择性激光烧结技术逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙 烯粉，再浸蜡后制得熔模，而后用工业酒精对熔模表面与内部进行清洗，晾千; 二、将铝矶土砂和聚乙烯醇1788粉末加入到蒸馏水中并以搅拌速度为360r/min 搅拌至聚乙烯醇1788粉末均匀包裹于铝矾土砂表面，然后在温度为7(TC条件 下，干燥处理3h并研磨lh;三、将325目氧化锆粉与二醋酸锆按2.8 : 1的质 量比混合后，再加入占二醋酸锆体积为0.06%的脂肪醇聚氧乙烯醚和0.05%的 正辛醇，在搅拌速度为300r/min条件下搅拌1.5h，然后静置30min，得面层涂 料，而后将熔模浸入面层涂料沾浆10s后取出，在熔模上的面层涂料流动均匀 而不再连续下滴后进行撒砂、干燥；四、将325目铝矾土粉与硅溶胶按3 : 1
10的质量比混合，得背层涂料，然后在背层涂料的流杯粘度为80s进行背层第一 层涂挂，然后涂挂背层第一层至第七层，得模壳；五、将模壳放入箱式电阻炉 申t随炉力温至，。C保温1.5h，i旨升温至60(TCH呆温1.5h，继续升温至1000 'C保温1.5h,然后随炉冷却至室温，得TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳； 六、将TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳放置于水冷铜坩埚真空感应熔炼炉 中，抽真空至1()Jmbar后进行TiAl基合金熔炼，在TiAl基合金精铸用氧化物 陶瓷模壳预热温度为30(TC的条件下进行浇铸，得铸件；其中步骤二中按l : 1 的质量比称取蒸馏水和铝矾土砂，再称取占蒸馏水质量0.8%的聚乙烯醇1788 粉末；步骤三中面层涂料的流杯粘度为90s，撒砂使用的是粒度为60目的氧 化锆砂；步骤四中背层第一层到第六层涂挂包括沾衆和撒砂两个步骤，步骤四 中所用撒砂材料为步骤二中表面包覆聚乙烯醇1788粉末的铝矾土砂和未经处 理的铝矾土砂，二者质量比为1: 1，并混合均匀；步骤四中第七层在涂挂过 程中只进行沾浆，不进行撒砂，步骤四中涂挂时层与层涂挂间隔时间为20min。
采用本实施方式浇铸出的TiAl基合金拉伸试样表面质量良好，光滑无裂 痕，可一次性拉伸。
本实施方式所制备的熔模精密铸造TiAl基合金模壳从CAD设计到获得 TiAl基合金精铸件需要14天，节省了生产制造周期，大大降低了制造成本。
权利要求
1、一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法，其特征在于熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法按以下步骤实施一、采用SolidWorks软件设计出三维CAD模型，用magic软件转换后保存为STL文件，再将STL文件的数据信息输送到SLS快速成型机上，用选择性激光烧结技术逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，而后用工业酒精对熔模表面与内部进行清洗，晾干；二、将60目铝矾土砂和聚乙烯醇1788粉末加入到蒸馏水中并以搅拌速度为300～400r/min搅拌至聚乙烯醇1788粉末均匀包裹于铝矾土砂表面，然后在温度为60～80℃条件下，干燥处理3～4h并研磨1h；三、将325目氧化锆粉与二醋酸锆按2.5～3.8∶1的质量比混合后，再加入占二醋酸锆体积0.02％～0.08％的脂肪醇聚氧乙烯醚和0.04％～0.07％的正辛醇，在搅拌速度为300～400r/min条件下搅拌1～2h，然后静置30min，得面层涂料，而后将熔模浸入面层涂料沾浆10～15s后取出，在熔模上的面层涂料流动均匀而不再连续下滴后进行面层撒砂、干燥；四、将325目铝矾土粉与硅溶胶按2.5～3∶1的质量比混合，得流杯粘度为60～100s的背层涂料，然后进行背层1～7层涂挂，得模壳；五、将模壳放入箱式电阻炉中，随炉升温至200～400℃保温1～2h，然后升温至500～700℃保温1～2h，继续升温至900～1050℃保温1～2h，然后随炉冷却至室温，得TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳；六、将TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳放置于水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，抽真空至10-2mbar后进行TiAl基合金熔炼，在TiAl基合金精铸用氧化物陶瓷模壳预热温度为300～400℃的条件下进行浇铸，得TiAl基合金铸件；其中步骤二中按0.8～1.5∶0.8～1.5的质量比称取蒸馏水和铝矾土砂，再称取占蒸馏水质量0.5％～1.2％的聚乙烯醇1788粉末；步骤三中面层涂料的流杯粘度为70～110s，撒砂使用的是粒度在30～60目的氧化锆砂；步骤四中第一层到第六层涂挂包括沾浆和撒砂两个步骤，步骤四中所用撒砂材料为步骤二中表面包覆聚乙烯醇1788粉末的铝矾土砂和未经处理的铝矾土砂，二者质量比为1∶1，并混合均匀；第七层在涂挂过程中只进行沾浆，不进行撒砂，步骤四中涂挂时层与层涂挂间隔时间为20min。
2、 根据权利要求1所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法，其特征在于步骤二中搅拌速度为320 380r/min。
3、 根据权利要求1或2所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备 方法，其特征在于步骤二中按0.9 1.2 : 0.9 1.2的质量比称取蒸馏水和铝矾 土砂。
4、 根据权利要求3所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法， 其特征在于步骤二中称取占蒸馏水质量0.6% 1.0%的聚乙烯醇1788粉末。
5、 根据权利要求1、 2或4所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的 制备方法，其特征在于步骤三中325目氧化锆粉与二醋酸锆按2.8 3.2 : 1的质量比混合。
6、 根据权利要求5所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法， 其特征在于步骤三中加入占二醋酸锆体积0.04 0.06%的脂肪醇聚氧乙烯醚和 0.06%的正辛醇。
7、 根据权利要求l、 2、 4或6所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳 的制备方法，其特征在于步骤三中面层涂料的流杯粘度为80 100s。
8、 根据权利要求7所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法， 其特征在于步骤三中撒砂使用的是粒度在40 50目之间的氧化锆砂。
9、 根据权利要求l、 2、 4、 6或8所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金 模壳的制备方法，其特征在于步骤四中将325目铝矾土粉与硅溶胶按2.6 2.8:1的质量比混合。
10、 根据权利要求9所述的一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方 法，其特征在于步骤四中背层涂料的流杯粘度为70 90s。
全文摘要
一种熔模精密铸造TiAl基合金模壳的制备方法，它涉及一种氧化物陶瓷模壳的制备方法。它解决了TiAl基合金精铸生产过程存在着制壳干燥慢、铸件生产周期较长及成本高的问题。制备方法一、采用SLS技术制备熔模；二、铝矾土表面包覆聚乙烯醇并研磨成粒状；三、对模壳面层进行涂挂；四、对模壳背层进行涂挂；五、对模壳进行脱蜡及焙烧；六、TiAl基合金的真空浇铸，得到TiAl基合金铸件。本发明从CAD设计到获得TiAl基合金精铸件仅需13～15天，而传统方法至少需要45～60天，节省了近2/3的生产制造周期，制造成本也相应的得到了降低。
文档编号B22C9/04GK101462151SQ20091007129
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者刘志光, 孔凡涛, 徐丽娟, 王惠光, 竟 田, 肖树龙, 陈玉勇, 陈艳飞 申请人:哈尔滨工业大学