专利名称：用于熔模铸造钛和钛－铝合金的惰性氧化钙面层的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及用于铸造反应性金属，特别是复杂形状金属的模具面层。
现有技术的描述由于熔融金属与如氧、氮和碳的亲和力，使诸如钛或钛铝的反应性金属的熔化和铸造是困难的。在铸造所需的高温下，钛和钛铝合金与通常用于铸造Fe或Ni基合金部件的陶瓷面层如氧化锆和锆石反应。熔融钛和钛铝合金的反应会导致粗糙的表面质量以及在部件表面形成脆性的α相。脆性的表面层导致过早地形成裂纹并且有害地降低机械性能和部件表面寿命。
可以通过机械和/或化学抛光方法去除脆性表面层。但是，使部件的成本增加，并且由于形状复杂或难以保持尺寸公差而通常无法适用。
使用热力学稳定的面层会在铸造钛和钛铝合金部件时形成脆性表面层。存在几种与钛和钛铝合金相比具有所需稳定性的面层。候选的面层包括氧化铱(Y2O3)、氧化钍(ThO2)、氧化钙(CaO)、和其它奇异的稀土氧化物。氧化钍是放射性的并且其抗热冲击性差。为此原因，工业上未使用氧化钍。氧化铱是有力的候选物质，并且已由很多研究者用作面层材料。在授予Lassow等人的美国专利4,703,806中公开了用于铸造反应性金属的氧化铱料浆。该料浆的性能很好但是原料成本高。氧化铱目前的成本约为$60/1b。广泛用于镍铸造面层的锆石价格为低于$1/1b。由于在很多应用中，钛和钛铝合金铸造与镍铸造相竞争，氧化铱面层的高成本使钛和钛铝合金铸造的价格无法占领市场。对于对成本敏感的用户如汽车用户来说尤其重要。
由于氧化钙的热稳定性也使其是一种潜在的用于钛和钛铝合金的难熔材料。授予Degawa等人的美国专利4,710,481中公开了在氧化钙坩埚中熔化钛和钛合金。但是，在大气湿度下于环境条件下氧化钙是亲水性的并且自发与水化合。水合伴随体积变化而引起裂纹和分裂。氧化钙坩埚在暴露于大气湿度下仅1小时后即自发形成裂纹。为此原因，对于商业化应用来说氧化钙材料是不实用的。
发明概述本发明提供一种工业实用的、用于制造铸造钛和钛铝合金的模具的低成本面层，该面层克服了上述缺点。本发明的面层也可用于其它反应性金属的铸造，例如锆合金铸造。
本发明的特定目的是提供一种用于铸造反应性和非反应性金属的含有氧化钙的低成本工业实用面层。该氧化钙面层通过加热碳酸钙前体面层而原地形成。
本发明的另一个目的是提供一种用于制造铸造反应性金属如钛和钛铝合金的模具的氧化钙模具面层，该面层降低或消除了模具和反应性金属之间的反应。该氧化钙面层是由碳酸钙前体面层得到的。
本发明的另一个目的是提供一种碳酸钙基料浆模具面层，该料浆可相当光滑和均匀地涂覆于用于制造铸造模壳的失蜡铸造中的蜡或塑料模型上，从而用于铸造反应性金属如钛和钛铝合金。该碳酸钙一旦加热就转变为氧化钙基面层。
本发明的另一个目的是提供一种高精密熔模铸造反应性金属如钛和钛铝合金以及非反应性金属如镍及其合金的方法，该方法的成本较现有技术方法的成本低。
本发明的再一个目的是减少或消除精密熔模铸造反应性金属如钛和钛铝合金所需的表面研磨或化学研磨量。
本发明的其它目的和优点将在下述说明中给出，并且由这些说明而显而易见，或者由本发明的实施而得出。本发明的目的和优点可通过所附的权利要求所指出的方案及其组合而实现。
为了达到本发明的目的，如本文所包括的和广义说明的，本发明包括在制造用于铸造反应性金属的模具中使用碳酸钙基料浆作为模具面层的方法，该料浆包括致密的颗粒状碳酸钙粉末和水基粘合剂。
为了达到本发明的目的，如本文所包括的和广义说明的，本发明包括一种制造用于铸造反应性金属的铸造模壳的方法，包括下列步骤制备模型；将模型浸于碳酸钙基料浆中，该料浆由致密颗粒状碳酸钙粉末和水基粘合剂组成；通过多次浸入氧化铝-氧化硅料浆中而构成模具；在高温富氧环境下焙烧该模具；以及在焙烧的模具冷却至低于约800℃之前铸造该金属部件。
本发明的另一个目的是避免使用对环境有害的有机金属基料浆粘合剂如金属烷氧化物或螯合物。通过使用水基悬浮液，由于该悬浮液对于环境的原始性质而显著节约成本。
这种步骤利用了公知的在高于约750℃温度下碳酸钙化学转化为氧化钙的优点。在这种高温下新形成的氧化钙不会发生水合作用。由于在模具冷却之前进行金属的铸造，防止了氧化钙的水合，有利地利用了非反应性氧化钙面层。作为第二个益处，在模具焙烧之后随即进行铸造降低了能耗并使生产过程加快。
附图的简要说明通过下面优选的实施方案和附图的详述可以更全面地理解本发明并且本发明的其它优点会更清楚。
图1是“未焙烧”的碳酸钙涂层的SEM照片；图2是涂层转变为氧化钙之后的SEM照片；图3是由就地形成的氧化钙面层制备的γ-TiAl叶轮的照片。
优选实施方案的说明根据本发明，含有碳酸钙粉末和水基粘合剂的碳酸钙基料浆用作制造铸造反应性金属的模具的模具面层。在本文中所用的“反应性金属”指诸如钛、钛合金和钛铝合金的金属，它们具有高的负的氧化物、氮化物和碳化物形成自由能。本文所例举的反应性金属包括但不限于钛及其合金，钛铝合金，锆及其合金。本发明也适合于诸如镍及其合金的非反应性金属。尽管现有的面层材料如锆石已经在镍铸造中取得了广泛的商业成功，由于碳酸钙原料的成本低，碳酸钙转变为氧化钙的方法具有成本方面的优越性。
为了本发明的目的，该水基粘合剂优选具有低温生料强度，并且是高温陶瓷粘合剂。优选地，该水基粘合剂是诸如氧化锆、氧化钛、氧化铪或氧化硅的无机胶态悬浮液。
为了本发明的目的，该水基粘合剂可以包括其它添加剂或溶剂以影响其它所需的特性，例如用于控制粘合剂的浓度或调整pH。
在本发明的优选实施方案中，含有碳酸钙粉末和调整过的水基粘合剂的碳酸钙基料浆用于在用“失蜡”工艺制造熔模铸造模壳中形成模具面层。在本文中，先制造具有所需铸造形状的由蜡或塑料制成的模型，然后浸于碳酸钙基料浆中。在将该浸涂涂层部分干燥和/或固化之后，涂覆陶瓷灰泥和浸涂涂层的交替层直至形成所需的模壳厚度。将模具彻底干燥，然后将模具在诸如空气的氧化气氛中于大约1000℃焙烧不少于0.5小时的时间。焙烧使模型以所公知的“失蜡”技术类似的方式完全挥发。焙烧的另一个目的是将未焙烧的碳酸钙面层转变为氧化钙面层。然后将热模具置于铸造室中，以重力、压力或离心力或者类似于所公知的其它技术将熔融金属装入模具中。使技术冷却。冷却后，从模型中取出为原始模型形状的铸造金属。通过使用仍处于约750℃以上温度(焙烧所致)的模具，防止了有害的氧化钙的水合，从而得到了低成本的含有氧化钙的惰性面层。
下面的实施例可更完整地理解本发明。用于说明本发明原理和实施的特定的技术、条件、材料、比例以及所给出的数据是举例性的，并不限制本发明的范围。
实施例1该实施例说明使用碳酸钙料浆前体制备氧化钙面层的方法。通过球磨1700克碳酸钙、233.5克胶态氧化硅粘合剂(Ludox Remet30)、550克去离子水和45克Darvan821A分散剂而制得碳酸钙料浆。球磨进行2.5小时。然后用BrooklineⅡ粘度计测定粘度。通过加入碳酸钙粉末或黄原胶(xanthum gum)，然后再球磨而调整粘度。球磨、粘度测定和调整总共用时20小时以获得用BrooklineⅡ粘度计测定的50-100的目标粘度。也监测pH和颗粒尺寸，目标pH为9.5，目标颗粒尺寸为0.3-3微米。通过加入氢氧化钠使pH升高或者加入TMA(四甲基氢氧化铵)来调整pH。
球磨料浆的目的是使碳酸钙粉末解聚。解聚的结果抑制了在干燥过程中产生裂纹。其第二个作用是使涂层的“隐蔽”粉末大大增加。
接着将溶液涂覆于基底上并在室温下干燥形成“未焙烧的”碳酸钙涂层，如图1所示。随后将该涂层加热至1000℃，将其转变为氧化硅涂层，如图2所示。
实施例2-10除了使用不同于胶态氧化硅的粘合剂或者不使用粘合剂之外，实施例2-10与实施例1相同。所用组合物列于表1。
表1
实施例11制备实施例1所述的的碳酸钙料浆，并通过浸入叶轮将其涂覆于涡轮增压器叶轮的聚苯乙烯型坯上。在室温条件下干燥涂层，在涡轮增压器叶轮模型上形成面层。随后，多次浸入燧石颗粒和氧化铝硅酸盐粉末的备用涂料中形成标准熔模。这种技术在熔模铸造工业中是广泛使用的并且是公知的。接着将完整的熔模穿过900-1100℃的炉子，以熔化塑料型坯，并且同时将碳酸钙面层转变为氧化钙。再将合适装料量的钛铝合金装入热的模具中，置于真空中并感应熔化以及浇铸在涡轮增压器叶轮型腔中。由于在浇铸之前，模具总是保持大于约800℃，面层保持为惰性于熔融钛铝合金的氧化钙。这防止了氧化钙的水合，这种水合会在室温发生，并且有害于面层的非反应性性质。这种氧化钙面层也不能用室温工艺形成，因为氧化钙在室温环境会水合，使其不适合用作面层材料。在去除塑料模型的过程中使碳酸钙就地转变为氧化钙以及即刻用于铸造代表了本发明的新颖的方面。由该工艺制造的钛铝叶轮的照片如图3所示。
上面已经相当全面地说明了本发明，应该理解的是，对于本领域的技术人员来说，无需严格遵守这些详述而可显而易见地作出变化和改进，这些都落入由权利要求所确定的本发明的范围之内。
权利要求
1．一种铸造金属的方法，包括下列步骤形成含有碳酸钙粉末和水基粘合剂的面层料浆；将该料浆涂覆于铸造模型上；在铸造模型上形成铸造模壳而制成模具；焙烧该模具；将模具置于铸造室中；将熔融金属浇铸在模具中；使模具冷却；以及将模具从铸造金属部件上脱模。
2．权利要求1的方法，其中在约1000℃下进行焙烧模具的步骤，焙烧时间大于0.5小时。
3．权利要求2的方法，其中焙烧的步骤在氧化气氛中进行。
4．权利要求1的方法，其中在焙烧步骤之后，模具温度保持大于约750℃时，进行将模具置于铸造室中和将熔融金属浇铸在模具中的步骤。
5．权利要求1的方法，其中在足以将碳酸钙面层转变为氧化钙面层的温度下进行焙烧模具的步骤。
6．权利要求1的方法，其中的水基粘合剂是由无机物质的胶态悬浮液组成。
7．权利要求6的方法，其中用于胶态悬浮液的无机物质选自氧化锆、氧化钛、氧化铪和氧化硅。
8．权利要求1的方法，其中形成铸造模壳的步骤包括下列步骤使料浆部分干燥，以及涂覆陶瓷灰泥层以形成所需厚度的模壳。
9．权利要求8的方法，其中涂覆陶瓷灰泥层的步骤包括交替地涂覆陶瓷灰泥和料浆层。
10．权利要求6的方法，其中所铸造的熔融金属包括选自钛、钛铝合金、锆、钛合金和锆合金的反应性金属。
全文摘要
将氧化钙模具面层涂覆于用于铸造诸如钛和钛铝合金的反应性金属部件的模具上。该面层由含有致密碳酸钙颗粒和水基粘合剂的碳酸钙料浆组成。将料浆涂覆于用于制造铸造模壳的失蜡工艺中的蜡或塑料模型上。通过多次浸入氧化铝—硅酸盐料浆中而构成模具,然后在富氧气氛下于高温焙烧。在焙烧的模具冷却至低于约800℃之前铸造金属部件。避免使用有机金属基料浆粘合剂,由于水基悬浮液的性质对环境无害而显著节约了成本。
文档编号B22C3/00GK1225045SQ97196300
公开日1999年8月4日 申请日期1997年5月13日 优先权日1996年5月13日
发明者J·C·拉萨勒, A·J·法内利, E·J·巴赖, B·J·斯诺 申请人:联合讯号公司