专利名称：一种熔模铸造TiAl基合金壳模的制备方法
技术领域：
本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种熔模铸造TiAl基合金壳模的制备方法。
背景技术：
TiAl基合金具有高强度，低密度，高弹性模量，抗氧化性和蠕变性能好等优点， 是一种很有潜力的轻质高温结构材料，是近些年来钛铸造领域中迅速发展的一类合金 [E.A. Loria. Quo vadis gamma titanium aluminide. Intermetallics. 2001. 9 :997-1001]。 TiAl基合金有望用于喷气发动机和涡轮等航空航天、汽车工业的耐高温部件以及超高速飞行器的翼、壳体等，被认为是最有应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料[李金山，张铁邦，常辉等.TiAl基金属间化合物的研究进展与发展趋势.中国材料进展.201029 (3) I 2 ；Xinhua Wu. Review of alloy and process development of TiAl alloys. Intermetallics 14(2006) :1114-1122]。由于TiAl基合金室温塑性差，有明显的室温脆性，其拉伸过程中延伸率不足1%， 并且在热加工过程中晶粒会急剧长大，导致进一步脆化，所以可加工性很差，而使其应用遇到困难。鉴于TiAl基合金的特性，锻造成型显然既费力又废料，特别是在制作一些形状复杂的部件时更是显得力不从心。所以铸造成型就自然而然的成为适合于TiAl基合金的加工方法，特别是近净形成型技术一熔模精密铸造。近些年来，常用的TiAl合金精密铸造的型壳材料有1.人造石墨；2.难熔金属(钨、钥、铌等粉)；3.特种耐火氧化物(ZrO2和一些稀土金属氧化物及其氧化钙等)，使用更多更广泛的是特种耐火氧化物。ZrO2陶瓷型壳热导率低，强度高，可浇注优质的钛合金铸件。其优点是，对于熔融钛合金有更好的化学稳定性，特别是通过恰当的粒度级配以后，使铸件表面质量显著提高。由于ZrO2所具有的有优越性能，现在对其研究也最多，许多研究都集中在了提高ZrO2面层壳模性能上。
发明内容
本发明的目的是提供一种制作方便、有足够强度并且对于熔融状态TiAl基合金具有较高化学稳定性的模壳的制备方法，采用该方法可以满足制备TiAl基合金部件的要求。本发明的技术方案是一种熔模铸造TiAl基合金用的模壳的制备方法，其特征在于，包括步骤如下I)将粒度为300 400目的ZrO2粉与锆溶胶按粉液比g/ml为2. 5 I 3. 5 I 配置成室温流杯粘度为40 55秒的浆料；2)将上述浆料涂覆在蜡模上，撒粒度为120 180目的ZrO2砂，干燥；采用800 1100目的Al2O3砂与硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 : I 2.4 : I配置成室温流杯粘度为 35 55秒的浆料，涂覆第2层，撒砂粒度为60 90目的Al2O3砂，氨干，干燥；
3)然后涂覆步骤2)的浆料，再撒粒度为30 50目的Al2O3砂，依次重复涂覆浆料和撒砂，制备第3 4层，氨干，干燥；接着再涂覆步骤2)的浆料，撒粒度为16 25目的 Al2O3涂挂，并依次重复涂覆浆料和撒砂制备第5 7层，氨干，干燥；最后涂覆步骤2)的浆料，并撒6 10目的Al2O3砂制备最后一层，浸入强化剂，干燥；4)脱蜡，烧结。其中，Al2O3为经过煅烧的电熔Al2O3，硅酸乙酯水解液的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇、盐酸和硼酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml :水ml :无水乙醇ml :浓盐酸 g :硼酸 g 为(800-1200) (150-180) (600-650) (8-10) (3-4);强化剂的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇和盐酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml :水ml :无水乙醇 ml :浓盐酸 g 为(800-1200) (150-180) (600-650) (4-6) 步骤I)所述浆料制备过程中还添加润湿剂、消泡剂，其中润湿剂占浆料的重量百分含量为I 3%。，消泡剂占浆料的重量百分比为3 5%。，其中润湿剂为正辛醇；边搅拌锆溶胶边将ZrO2粉加入，然后再依次加入润湿剂、消泡剂，搅拌2小时以上，放置12小时以后可涂料。步骤2)和3)的具体步骤优选为将蜡模浸入上述浆料中，浸泡5 10秒，期间转动蜡模以便涂料覆型均匀，取出蜡模后悬放3 5秒，流掉多余涂料，撒粒度为120 180目数的ZrO2砂，在温度为25 27°C，湿度为50 70%的环境下干燥12小时以上，构成面层； 用800 1100目数的Al2O3砂与硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 I 2. 4 I配置成室温流杯粘度为35 55秒的浆料，涂挂第2层，方式与涂挂第一层相似，撒粒度为60 90目的Al2O3砂，在温度为25 27°C，湿度为50 70%的环境下风干15 30分钟，然后将壳模放入封闭环境中，放置氨水，氨水浓度为40%，优选每Im3对应IOml氨水,进行氨干15 45分钟，目的是使型壳快速硬化；氨干后，再放置在温度为25 27°C，湿度为50 70%的通风环境下干燥15 20分钟；然后采用相同的方法，涂覆800 1100目的Al2O3砂与硅酸乙酯水解液组成的浆料，撒粒度为35 45目的Al2O3砂涂挂第3 4层，干燥，氨干，干燥； 撒粒度为20 30目的Al2O3涂挂第5 7层，干燥，氨干，再干燥；最后撒粒度为6 10目的煅烧后的电熔Al2O3砂，干燥，氨干，然后把壳模在强化剂里浸泡2 3分钟，在通风处放 7 12小时。步骤3)，蒸汽脱蜡或温水脱蜡后的壳模放置I 2小时后进行烧结，烧结过程为加热到400 500°C保温I I. 5小时，再加热到700 800°C保温I I. 5小时，最后加热到900 1100°C保温I 2小时，冷却至室温后可取出。本发明的优点1、本发明采用的ZrO2作为面层材料，ZrO2相对于熔融态TiAl基合金具有较好的热稳定性和化学稳定性，铸出的铸件有高的表面质量和表面光洁度。2、本发明采用的背层型壳材料为Al2O3砂，刚玉砂价格便宜，熔点高，导热性能好, 热膨胀系数小。3、本发明所采用的背层粘结剂是自制的硅酸乙酯水解液，该水解液制作方便，保存时间长，无毒无害，制作后的模壳有足够的强度。4、本发明所用的面层耐火材料撒沙粒度为120 180目的ZrO2细砂，形成致密表面光洁度高的面层，可以起到即加固面层又可以防止较大砂粒穿透面层浆料造成铸型表面粗糙。5、本发明在型壳干燥期间加入氨干干燥过程，使干燥时间大大缩短，提高了制壳效率。
具体实施例方式以下实施例中正硅酸乙酯(以SiO2计)28%锆溶胶产地大连斯诺化学新材料科学技术有限公司，室温为25°C。实施例II)室温下将粒度为325目的ZrO2与锆溶胶按粉液比3 I (g/ml)比例配置成浆料，然后添加正辛醇和消泡剂，两种添加物的重量百分比分别是在3%。、5%。，即在锆溶胶搅拌过程中加入ZrO2粉料、正辛醇、消泡剂(商品化)，然后搅拌I. 5小时，静置24小时，这时浆料的粘度是流杯粘度49秒。2)将蜡模在涂料中浸入8秒并轻微转动，使浆料完全覆盖蜡模，把蜡模取出，空置 5秒，使多余浆料流走，并保证蜡模上所剩浆料均匀覆盖蜡模，撒粒度为120目的ZrO2砂作为面层，然后在温度为25°C,湿度为65%的非流通环境下放置12小时。用粒度为800目的煅烧后的电熔Al2O3按与硅酸乙酯水解液重量比2. 2 : I倒入在搅拌中的硅酸乙酯水解液并且连续搅拌I. 5小时，搅拌后流杯粘度为43秒；把型壳浸入浆料中，放置8秒，并轻微旋转，取出型壳，空置2秒，撒粒度为70目的煅烧后的电熔Al2O3砂，然后放置在温度为25°C， 湿度为65%的微通风处20分钟；放入含有氨水浓度为40%密闭柜中15分钟；放置到通风的地方10分钟，此为第2层；然后撒粒度为40目的煅烧后的电熔Al2O3砂，并在以上相同步骤下，涂挂3 4层；撒粒度为20目的煅烧后的电熔Al2O3砂，重复相同涂覆步骤，涂挂5 7层，最后撒粒度为5目的煅烧后的电熔Al2O3砂，重复相同步骤后，最后再在强化剂中浸泡 3分钟，然后干燥12小时把模型放到加热炉中加热到150°C，脱蜡后，放置2小时，然后进行烧结，烧结方法为450°C保温I. 5小时，780°C保温I. 5小时，最后在980°C保温2小时。当炉冷到室温时取出型壳。型壳内表面光滑，强度足够。浇注后TiAl基合金铸件与模壳反应小，具有高的表面质量。上述硅酸乙酯水解液的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇、盐酸和硼酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml 水ml 无水乙醇ml 浓盐酸g 硼酸g为 800 160 600 8 4 ;强化剂的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇和盐酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml :水ml :无水乙醇ml :浓盐酸g为900 180 650 4。对用上述方法制备的模壳进行TiAl合金的铸造实验，所得铸件浇注表面质量高， 无粘砂现象，型壳溃散性好，强度3. 5MPa。实施例23)将粒度为400目的ZrO2与锆溶胶按粉液比2. 8 : I (g/ml)比例配置成浆料，然后添加正辛醇和消泡剂，两种添加物的重量百分比分别是在1%。、3%。，在锆溶胶搅拌过程中加入ZrO2粉料、正辛醇、消泡剂，然后搅拌I小时，静置24小时，这时浆料的粘度是流杯粘度58秒。4)将蜡模在涂料中浸入8秒并轻微转动，使浆料完全覆盖蜡模，把蜡模取出，空置5秒，使多余浆料流走，并保证蜡模上所剩浆料均匀覆盖蜡模，撒粒度为100目的ZrO2砂作为面层，然后在温度为28°C,湿度为70%的非流通环境下放置12小时。用粒度为1100目的煅烧后的电熔Al2O3按与硅酸乙酯水解液重量比2. 4 I倒入在搅拌中的硅酸乙酯水解液并且连续搅拌I小时，搅拌后流杯粘度为38秒；把型壳浸入浆料中，放置5秒，并轻微旋转，取出型壳，空置2秒，撒粒度为80目的煅烧后的电熔Al2O3砂，然后放置在温度为28°C， 湿度为70%的微通风处15分钟；放入含有氨水浓度为40%密闭柜中15分钟；放置到通风的地方15分钟，此为第2层；然后撒粒度为50目的煅烧后的电熔Al2O3砂，并在以上相同步骤下，涂挂3 4层；撒粒度为30目的煅烧后的电熔Al2O3砂，重复相同步骤，涂挂5 7 层，最后撒粒度为4目的煅烧后的电熔Al2O3砂，重复相同步骤后，最后再在强化剂中浸泡2 分钟，然后干燥12小时5)把模型放到加热炉中加热到150°C，脱蜡后，放置2小时，然后进行烧结，烧结方法为400°C保温2小时，800°C保温2小时，最后在900°C保温2小时。当炉冷到室温时取出型壳。型壳内表面光滑，强度足够为4. OMPa。硅酸乙酯水解液的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇、盐酸和硼酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml 水ml 无水乙醇ml 浓盐酸g 硼酸g为 1000 170 630 10 3. 5 ;强化剂的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇和盐酸的混合液， 其用量关系为正硅酸乙酯ml :水ml :无水乙醇ml :浓盐酸g为1100 165 645 5。
模壳内表面质量好，烧注后TiAl基合金铸件与模壳反应小,具有高的表面质量。
权利要求
1.一种熔模铸造TiAl基合金壳模的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)将粒度为300 400目的ZrO2粉与锆溶胶按粉液比g/ml为2.5 I 3. 5 I配置成室温流杯粘度为40 55秒的浆料；2)将上述浆料涂覆在蜡模上，撒粒度为120 180目的ZrO2砂，干燥；采用800 1100 目的Al2O3砂与硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 : I 2. 4 : I配置成室温流杯粘度为35 55秒的浆料，涂覆第2层，撒砂粒度为60 90目的Al2O3砂，氨干，干燥；3)然后涂覆步骤2)的浆料，再撒粒度为30 50目的Al2O3砂，依次重复涂覆浆料和撒砂，制备第3 4层，氨干，干燥；接着再涂覆步骤2)的浆料，撒粒度为16 25目的Al2O3 涂挂，并依次重复涂覆浆料和撒砂制备第5 7层，氨干，干燥；最后涂覆步骤2)的浆料，并撒6 10目的Al2O3砂制备最后一层，浸入强化剂，干燥；4)脱蜡，烧结。
2.按照权利要求I的方法，其特征在于Al2O3为经过煅烧的电熔Al2O3，硅酸乙酯水解液的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇、盐酸和硼酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml 水ml :无水乙醇ml :浓盐酸g :硼酸g为(800-1200) (150-180) (600-650) (8-10 )(3-4);强化剂的成分为正硅酸乙酯、水、无水乙醇和盐酸的混合液，其用量关系为正硅酸乙酯ml :水ml :无水乙醇ml :浓盐酸g为(800-1200) (150-180) (600-650) (4-6 )。
3.按照权利要求I的方法，其特征在于，步骤I)所述浆料制备过程中还添加润湿剂、 消泡剂，其中润湿剂占浆料的重量百分含量为I 3%。，消泡剂占浆料的重量百分比为3 5%。，其中润湿剂为正辛醇；边搅拌锆溶胶边将ZrO2粉加入，然后再依次加入润湿剂、消泡剂，搅拌2小时以上，放置12小时以后可涂料。
4.按照权利要求I的方法，其特征在于，步骤2)和3)的具体步骤为将蜡模浸入上述浆料中，浸泡5 10秒，期间转动蜡模以便涂料覆型均匀，取出蜡模后悬放3 5秒，流掉多余涂料，撒粒度为120 180目数的ZrO2砂，在温度为25 27°C，湿度为50 70%的环境下干燥12小时以上，构成面层；用800 1100目数的Al2O3砂与硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 I 2. 4 I配置成室温流杯粘度为35 55秒的浆料，涂挂第2层，方式与涂覆第一层相同，撒粒度为60 90目的Al2O3砂，在温度为25 27°C、湿度为50 70%的环境下风干15 30分钟，然后将壳模放入封闭环境中，放置氨水，氨水浓度为40 %，进行氨干15 45分钟，目的是使型壳快速硬化；氨干后，再放置在温度为25 27°C，湿度为50 70%的通风环境下干燥15 20分钟；然后采用相同的方法，涂覆800 1100目的Al2O3砂与硅酸乙酯水解液组成的浆料，撒粒度为35 45目的Al2O3砂涂挂第3 4层，干燥，氨干，干燥；撒粒度为20 30目的Al2O3涂挂第5 7层，干燥，氨干，再干燥；最后撒粒度为 6 10目的煅烧后的电熔Al2O3砂,干燥,氨干,然后把壳模在强化剂里浸泡2 3分钟,在通风处放7 12小时。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，氨干时，每Im3封闭环境对应IOml氨水。
6.按照权利要求I的方法，其特征在于，步骤3)，蒸汽脱蜡或温水脱蜡后的壳模放置 I 2小时后进行烧结，烧结过程为加热到400 500°C保温I I. 5小时，再加热到700 800°C保温I I. 5小时，最后加热到900 1100°C保温I 2小时，冷却至室温后可取出。
全文摘要
一种熔模铸造TiAl基合金壳模的制备方法，属于精密铸造技术领域。首先将ZrO2与锆溶胶配置成浆料；将上述浆料涂挂蜡模后，撒粒度为120～180目的ZrO2砂；然后将Al2O3与硅酸乙酯水解液配置成浆料，接着将浆料涂挂模壳后，撒粒度为60～90目的Al2O3砂、并重复若干次浆料涂覆和撒砂，砂依次为40～50、20～30、6～10目的Al2O3砂，干燥；脱蜡，焙烧。本发明制备模壳强度足够，制作周期短，模壳内表面质量好，浇注后TiAl基合金铸件与模壳反应小，具有高的表面质量。
文档编号B22C9/04GK102601307SQ201210110420
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者相志磊, 聂祚仁, 肖连博, 陈子勇 申请人:北京工业大学