专利名称：一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法
技术领域：
本发明涉及氧化物陶瓷型壳的制备方法。
背景技术：
TiAl合金由于其诸多优点，被看成是一种具有很大潜力的新型高温结构材料，在航空航天及汽车等领域具有广阔的应用前景，如燃气轮机叶片、发动机排气阀、压缩机叶轮、发动机机匣、扩压器以及燃气涡轮盖板等。但是，TiAl合金在实际应用中仍存在很多难以解决的问题，例如其部件在大多数工作状态下，有高温高速气流通过，高温下受强烈的氧化。因此，TiAl合金在高温下的抗氧化的好坏是决定工作部件寿命的关键因素之一。近年来，国内外学者采用多种方法对提高TiAl合金抗氧化性进行了研究，并且已 经取得了一些进展。最先被考虑的研究方法是从材料的本质出发，对TiAl合金进行成分设计，实现整体合金化，并通过各种成形方法制备出TiAl合金零部件，然后采用热等静压、热处理等手段来提高TiAl合金零部件整体性能，包括抗氧化性。另外一些方法就是对制备出的TiAl合金零部件进行表面处理，具体的方法有沉积与涂层，表面合金化处理，激光表面改性等。因此，我们考虑将这两类方法相结合，在合金成分已经确定下来的情况下，在零部件的制备过程中即对零部件表面进行处理，得到性能优良的TiAl合金表面，增强其表面抗氧化性，从而也为其他表面处理方法提供比基体合金更适合的表面。
发明内容
本发明是要解决TiAl合金高温表面抗氧化性不足的缺点，而提供了一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法。本发明的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法按以下步骤进行一 面层涂料的配制在100 300r/min的搅拌速度下，向粘结剂中加入消泡剂和润湿剂，然后按照氧化物粉料的质量与粘结剂的体积比为(2.0 3.8)g ImL向粘结剂中加入氧化物粉料，边加边搅拌，混合后制备成涂料，然后在100 200r/min的搅拌速度下，按涂料中氧化物粉料与添加材料质量比为(O. I 20) 100向涂料中加入添加材料，搅拌均匀后静置，即完成面层涂料的配制；其中，所述粘结剂为锆溶胶，所述消泡剂为正辛醇，所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚JFC，所述消泡剂与粘结剂的质量比为(0.01 0.5) 100，所述润湿剂与粘结剂的质量比为(O. 01 O. 5) 100，所述氧化物粉料为氧化锆或者氧化钇，粒度为270 320目，所述添加材料为单质、氧化物或化合物中的一种或几种的组合，其中，所述单质为硅、铌、铬、钥、钨、钇和锆中的一种，所述氧化物为硅氧化物、铌氧化物、铬氧化物、钥氧化物、钨氧化物、钇氧化物和锆氧化物中的一种，所述化合物为含铌化合物、铬化合物、钥化合物、钨化合物、钇化合物和锆化合物中的一种；二、面层型壳的制备在100 200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料搅拌I 4h后，调节面层涂料的粘度至90s，然后将蜡模浸入到面层涂料中，将蜡模从面层涂料中提起，将二氧化锆砂均匀地撒在蜡模表面，在湿度30 70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了面层型壳的制备；三、临面层型壳的制备在100 200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料搅拌I 4h后，调节面层涂料的粘度至80s，将步骤二中制备的面层型壳浸入到面层涂料中，然后将面层型壳从面层涂料中提起，将氧化锆砂均匀地撒在面层型壳上，然后在湿度30 70%、恒温18 30°C 的环境下进行干燥8 24小时，即完成了临面层型壳的制备；四、背层型壳的制备按粉液比为(2 3.5)g ImL将莫来石粉末和硅溶胶进行混合配制出背层涂料，调节背层涂料的粘度，然后将步骤三中制备的临面层型壳浸入到背层涂料中，将临面层型壳从背层涂料中提起，将吴来石砂均勾地撒在腊I旲表面，然后在湿度30 70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了背层型壳的制备；五、型壳的脱蜡与焙烧对步骤四中干燥完全的背层型壳进行蒸汽脱蜡，将完成脱蜡的型壳进行焙烧，随炉冷却后得到制备好的型壳即完成了改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳的制备。发明效果本发明在TiAl合金熔模精密铸造氧化物陶瓷型壳的制备方法的基础上，将几种添加材料加入到型壳的面层涂料中，此材料加入后不改变型壳焙烧后的稳定状态，主要起的作用是在熔化的TiAl合金熔体浇注进型壳内部后，面层涂料中加入的添加材料与TiAl合金熔体进行适当的反应和扩散，在TiAl合金铸件的表面形成保护层，能够减小TiAl合金铸件在使用过程中的氧化行为，改善TiAl合金的高温抗氧化性。本发明制备出的新型的TiAl合金熔模精密铸造用氧化物陶瓷型壳，能够提高TiAl合金铸件的表面性能，使TiAl合金能够在更高温度、更长时间下使用，具有一定的意义。
图I是试验I焙烧后的型壳试样；图2是偏光显微镜200倍下型壳表面形貌。
具体实施例方式具体实施方式
一— 面层涂料的配制在100 300r/min的搅拌速度下，向粘结剂中加入消泡剂和润湿剂，然后按照氧化物粉料的质量与粘结剂的体积比为(2.0 3.8)g ImL向粘结剂中加入氧化物粉料，边加边搅拌，混合后制备成涂料，然后在100 200r/min的搅拌速度下，按涂料中氧化物粉料与添加材料质量比为(O. I 20) 100向涂料中加入添加材料，搅拌均匀后静置，即完成面层涂料的配制；其中，所述粘结剂为锆溶胶，所述消泡剂为正辛醇，所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚JFC，所述消泡剂与粘结剂的质量比为(0.01 0.5) 100，所述润湿剂与粘结剂的质量比为(O. 01 O. 5) 100，所述氧化物粉料为氧化锆或者氧化钇，粒度为270 320目，所述添加材料为单质、氧化物或化合物中的一种或几种的组合，其中，所述单质为硅、铌、铬、钥、钨、钇和锆中的一种，所述氧化物为硅氧化物、铌氧化物、铬氧化物、钥氧化物、钨氧化物、钇氧化物和锆氧化物中的一种，所述化合物为含铌化合物、铬化合物、钥化合物、钨化合物、钇化合物和锆化合物中的一种；二、面层型壳的制备在100 200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料搅拌I 4h后，调节面层涂料的粘度至90s，然后将蜡模浸入到面层涂料中，将蜡模从面层涂料中提起，将二氧化锆砂均匀地撒在蜡模表面，在湿度30 70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了面层型壳的制备；三、临面层型壳的制备在100 200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料搅拌I 4h后，调节面层涂料的粘度至80s，将步骤二中制备的面层型壳浸入到面层涂料中，然后将面层型壳从面层涂料中提起，将氧化锆砂均匀地撒在面层型壳上，然后在湿度30 70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了临面层型壳的制备；四、背层型壳的制备按粉液比为(2 3.5)g ImL将莫来石粉末和硅溶胶进行混合配制出背层涂料，调节背层涂料的粘度，然后将步骤三中制备的临面层型壳浸入到背层涂料中，将临面层型壳从背层涂料中提起，将吴来石砂均勾地撒在腊I旲表面，然后在湿度30 70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了背层型壳的制备； 五、型壳的脱蜡与焙烧对步骤四中干燥完全的背层型壳进行蒸汽脱蜡，将完成脱蜡的型壳进行焙烧，随炉冷却后得到制备好的型壳即完成了改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳的制备。本实施方式中步骤二与步骤三中的面层涂料的粘度、步骤四中的背层涂料的粘度是测量其粘度后通过加入粘结剂锆溶胶使粘度控制在一定范围内的。本实施方式效果本实施方式在TiAl合金熔模精密铸造氧化物陶瓷型壳的制备方法的基础上，将几种特殊材料加入到型壳的面层涂料中，此材料加入后不改变型壳焙烧后的稳定状态，主要起的作用是在熔化的TiAl合金熔体浇注进型壳内部后，面层涂料中加入的特殊材料与TiAl合金熔体进行适当的反应和扩散，在TiAl合金铸件的表面形成保护层，能够减小TiAl合金铸件在使用过程中的氧化行为，改善TiAl合金的高温抗氧化性。本发明制备出的新型的TiAl合金熔模精密铸造用氧化物陶瓷型壳，能够提高TiAl合金铸件的表面性能，使TiAl合金能够在更高温度、更长时间下使用，具有一定的意义。
具体实施方式
二 本实施方式与具体是实施方式一不同的是步骤一中搅拌均匀后静置8 12h。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是实施方式一或二不同的是步骤一中面层涂料的粘度为80 90s。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体是实施方式一至三之一不同的是步骤四中背层涂料粘度为35 40s。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体是实施方式一至四之一不同的是步骤四中莫来石粉末粒度为320目。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体是实施方式一至五之一不同的是步骤五中所述的蒸汽脱蜡的蒸汽压力为O. 5 O. 7MPa，脱蜡时间为5 15分钟。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体是实施方式一至六之一不同的是步骤五中所述的焙烧为首先升温至200 400°C，保温30 60分钟，然后升温到800 1100°C，焙烧时间O. 5 3小时。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。通过以下试验验证本发明有益效果试验I :— 面层涂料的配制采用涂料搅拌机在300r/min的搅拌速度下，向粘结剂中加入消泡剂和润湿剂，然后在200r/min的搅拌速度下，按照氧化物粉料ZrO2粉的质量与粘结剂锆溶胶的体积比为2. 5g ImL向粘结剂锆溶胶中加入氧化物粉料ZrO2粉混合后制备成涂料，然后在200r/min的搅拌速度下，按添加材料Si与氧化物粉料ZrO2粉质量比为8 100向涂料中缓慢、均匀的加入添加材料Si，搅拌均匀后静置8h，即完成面层涂料的配制；二、面层型壳的制备在200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料利用搅拌机搅拌2h后，通过加入粘结剂锆溶胶使粘度控制在90s，然后将蜡模浸入到步骤一中已得到的面层涂料中，将二氧化锆砂均匀地撒在蜡模表面，然后在湿度60%、恒温24°C的 环境下进行干燥8小时，即完成了面层型壳的制备；三、临面层型壳的制备在200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料利用搅拌机搅拌2h后，控制粘度在80s，将步骤二中制备的面层型壳浸入到步骤一中配制的面层涂料中，使型壳表面均匀的涂覆一层涂料，然后将面层型壳从面层涂料中提起，将氧化锆砂均匀地撒在面层型壳上，然后在湿度60%、恒温24°C的环境下进行干燥8小时，即完成了临面层型壳的制备；四、背层型壳的制备按照莫来石粉末质量和硅溶胶粉液比为3. Og ImL将莫来石粉末和硅溶胶进行混合配制出背层涂料，控制粘度在35s，然后将步骤三中制备的临面层型壳浸入到背层涂料中，然后将临面层型壳从背层涂料中提起，将莫来石砂均匀地撒在蜡模表面，莫来石粉末粒度为320目，背层共涂挂并撒砂3层即3 5层，最后一层第6层只涂挂不撒砂。每层涂挂后在恒温恒湿的条件下干燥8小时，完全涂挂完毕后，将型壳干燥48小时；五、型壳的脱蜡与焙烧采用蒸汽脱蜡机对步骤四中干燥完全的背层型壳进行蒸汽脱蜡，脱蜡的蒸汽压力为O. 7MPa，脱蜡时间为15分钟，将完成脱蜡的型壳放入到箱式电阻炉中对其进行焙烧，首先升温至200°C，保温30分钟，然后升温到900°C，焙烧时间2小时，随炉冷却后得到制备好的型壳即完成了改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳的制备；本试验中步骤一中的消泡剂正辛醇与粘结剂锆溶胶的质量比为O. 02 100，润湿剂脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)与粘结剂锆溶胶的质量比为0.02 100 ；步骤二中是采用雨淋式撒砂机或浮砂桶将二氧化锆砂均匀地撒在蜡模表面的；本试验制备的改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳第一层为面层型壳，第二层为临面层型壳，第3 5层为背层型壳涂挂并撒砂,最后一层背层型壳即第6层为只涂挂不撒砂。通过试验可知，图I为采用以上方法制备出的型壳试样，从图I中可以看出，制备出的型壳完整，面层型壳表面光滑；图2为面层型壳表面形貌照片，从图2中可以看出，型壳的各种成分在型壳表面分布均匀，也就是说，本试验中添加的特殊物质在面层型壳中是均匀分布的。
权利要求
1.一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法按以下步骤实现 一面层涂料的配制在10(T300r/min的搅拌速度下，向粘结剂中加入消泡剂和润湿剂，然后按照氧化物粉料的质量与粘结剂的体积比为(2.(T3.8)g:lmL向粘结剂中加入氧化物粉料，边加边搅拌，混合后制备成涂料，然后在10(T200r/min的搅拌速度下，按涂料中氧化物粉料与添加材料质量比为(O. Γ20) :100向涂料中加入添加材料，搅拌均匀后静置，即完成面层涂料的配制；其中，所述粘结剂为锆溶胶，所述消泡剂为正辛醇，所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚JFC，所述消泡剂与粘结剂的质量比为(O. 01、. 5): 100，所述润湿剂与粘结剂的质量比为(O. 0Γ0. 5) : 100，所述氧化物粉料为氧化锆或者氧化钇，粒度为270^320目，所述添加材料为单质、氧化物或化合物中的一种或几种的组合，其中，所述单质为硅、铌、铬、钥、钨、钇和锆中的一种，所述氧化物为硅氧化物、铌氧化物、铬氧化物、钥氧化物、钨氧化物、钇氧化物和锆氧化物中的一种，所述化合物为含铌化合物、铬化合物、钥化合物、钨化合物、钇化合物和锆化合物中的一种； 二、面层型壳的制备在10(T200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料搅拌Ilh后，调节面层涂料的粘度至90s，然后将蜡模浸入到面层涂料中，将蜡模从面层涂料中提起，将二氧化锆砂均匀地撒在蜡模表面，在湿度3(Γ70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8^24小时，即完成了面层型壳的制备； 三、临面层型壳的制备在10(T200r/min的搅拌速度下将步骤一中配制的面层涂料搅拌f4h后，调节面层涂料的粘度至80s，将步骤二中制备的面层型壳浸入到面层涂料中，然后将面层型壳从面层涂料中提起，将氧化锆砂均匀地撒在面层型壳上，然后在湿度3(Γ70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了临面层型壳的制备； 四、背层型壳的制备按粉液比为(2 3.5) g: ImL将莫来石粉末和硅溶胶进行混合配制出背层涂料，调节背层涂料的粘度，然后将步骤三中制备的临面层型壳浸入到背层涂料中，将临面层型壳从背层涂料中提起，将莫来石砂均匀地撒在蜡模表面，然后在湿度3(Γ70%、恒温18 30°C的环境下进行干燥8 24小时，即完成了背层型壳的制备； 五、型壳的脱蜡与焙烧对步骤四中干燥完全的背层型壳进行蒸汽脱蜡，将完成脱蜡的型壳进行焙烧，随炉冷却后得到制备好的型壳即完成了改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳的制备。
2.根据权利要求I所述的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于步骤一中搅拌均匀后静置8 12h。
3.根据权利要求I所述的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于步骤一中配制的面层涂料的粘度为8(T90s。
4.根据权利要求I所述的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于步骤四中背层涂料的粘度为35 40s。
5.根据权利要求I所述的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于步骤四中莫来石粉末粒度为320目。
6.根据权利要求I所述的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于步骤五中所述的蒸汽脱蜡的蒸汽压力为O. 5^0. 7MPa，脱蜡时间为5 15分钟。
7.根据权利要求I所述的一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，其特征在于步骤五中所述的焙烧为首先升温至20(T40(TC，保温3(Γ60分钟，然后升温到800 1100°C，焙烧时间O. 5 3小时。
全文摘要
一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法，本发明涉及氧化物陶瓷型壳的制备方法。本发明是要解决TiAl合金高温表面抗氧化性不足的缺点，而提供了一种改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备方法。方法一、面层涂料的配制；二、面层型壳的制备；三、临面层型壳的制备；四、背层型壳的制备；五、型壳的脱蜡与焙烧即完成了改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备。本发明应用于改善TiAl合金铸件表面性能的氧化物陶瓷型壳制备领域。
文档编号B22C1/00GK102873273SQ201210420890
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者肖树龙, 徐丽娟, 田竟, 贾燚, 陈玉勇 申请人:哈尔滨工业大学