專利名稱：一種熔模鑄造TiAl基合金殼模的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密鑄造技術領域，具體涉及一種熔模鑄造TiAl基合金殼模的制備方法。
背景技術：
TiAl基合金具有高強度，低密度，高彈性模量，抗氧化性和蠕變性能好等優(yōu)點， 是一種很有潛力的輕質高溫結構材料，是近些年來鈦鑄造領域中迅速發(fā)展的一類合金 [E.A. Loria. Quo vadis gamma titanium aluminide. Intermetallics. 2001. 9 :997-1001]。 TiAl基合金有望用于噴氣發(fā)動機和渦輪等航空航天、汽車工業(yè)的耐高溫部件以及超高速飛行器的翼、殼體等，被認為是最有應用潛力的新一代輕質耐高溫結構材料[李金山，張鐵邦，常輝等.TiAl基金屬間化合物的研究進展與發(fā)展趨勢.中國材料進展.201029 (3) I 2 ；Xinhua Wu. Review of alloy and process development of TiAl alloys. Intermetallics 14(2006) :1114-1122]。由于TiAl基合金室溫塑性差，有明顯的室溫脆性，其拉伸過程中延伸率不足1%， 并且在熱加工過程中晶粒會急劇長大，導致進一步脆化，所以可加工性很差，而使其應用遇到困難。鑒于TiAl基合金的特性，鍛造成型顯然既費力又廢料，特別是在制作一些形狀復雜的部件時更是顯得力不從心。所以鑄造成型就自然而然的成為適合于TiAl基合金的加工方法，特別是近凈形成型技術一熔模精密鑄造。近些年來，常用的TiAl合金精密鑄造的型殼材料有1.人造石墨；2.難熔金屬(鎢、鑰、鈮等粉)；3.特種耐火氧化物(ZrO2和一些稀土金屬氧化物及其氧化鈣等)，使用更多更廣泛的是特種耐火氧化物。ZrO2陶瓷型殼熱導率低，強度高，可澆注優(yōu)質的鈦合金鑄件。其優(yōu)點是，對于熔融鈦合金有更好的化學穩(wěn)定性，特別是通過恰當的粒度級配以后，使鑄件表面質量顯著提高。由于ZrO2所具有的有優(yōu)越性能，現在對其研究也最多，許多研究都集中在了提高ZrO2面層殼模性能上。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種制作方便、有足夠強度并且對于熔融狀態(tài)TiAl基合金具有較高化學穩(wěn)定性的模殼的制備方法，采用該方法可以滿足制備TiAl基合金部件的要求。本發(fā)明的技術方案是一種熔模鑄造TiAl基合金用的模殼的制備方法，其特征在于，包括步驟如下I)將粒度為300 400目的ZrO2粉與鋯溶膠按粉液比g/ml為2. 5 I 3. 5 I 配置成室溫流杯粘度為40 55秒的漿料；2)將上述漿料涂覆在蠟模上，撒粒度為120 180目的ZrO2砂，干燥；采用800 1100目的Al2O3砂與硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 : I 2.4 : I配置成室溫流杯粘度為 35 55秒的漿料，涂覆第2層，撒砂粒度為60 90目的Al2O3砂，氨干，干燥；
3)然后涂覆步驟2)的漿料，再撒粒度為30 50目的Al2O3砂，依次重復涂覆漿料和撒砂，制備第3 4層，氨干，干燥；接著再涂覆步驟2)的漿料，撒粒度為16 25目的 Al2O3涂掛，并依次重復涂覆漿料和撒砂制備第5 7層，氨干，干燥；最后涂覆步驟2)的漿料，并撒6 10目的Al2O3砂制備最后一層，浸入強化劑，干燥；4)脫蠟，燒結。其中，Al2O3為經過煅燒的電熔Al2O3，硅酸乙酯水解液的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇、鹽酸和硼酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml :水ml :無水乙醇ml :濃鹽酸 g :硼酸 g 為(800-1200) (150-180) (600-650) (8-10) (3-4);強化劑的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇和鹽酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml :水ml :無水乙醇 ml :濃鹽酸 g 為(800-1200) (150-180) (600-650) (4-6) 步驟I)所述漿料制備過程中還添加潤濕劑、消泡劑，其中潤濕劑占漿料的重量百分含量為I 3%。，消泡劑占漿料的重量百分比為3 5%。，其中潤濕劑為正辛醇；邊攪拌鋯溶膠邊將ZrO2粉加入，然后再依次加入潤濕劑、消泡劑，攪拌2小時以上，放置12小時以后可涂料。步驟2)和3)的具體步驟優(yōu)選為將蠟模浸入上述漿料中，浸泡5 10秒，期間轉動蠟模以便涂料覆型均勻，取出蠟模后懸放3 5秒，流掉多余涂料，撒粒度為120 180目數的ZrO2砂，在溫度為25 27°C，濕度為50 70%的環(huán)境下干燥12小時以上，構成面層； 用800 1100目數的Al2O3砂與硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 I 2. 4 I配置成室溫流杯粘度為35 55秒的漿料，涂掛第2層，方式與涂掛第一層相似，撒粒度為60 90目的Al2O3砂，在溫度為25 27°C，濕度為50 70%的環(huán)境下風干15 30分鐘，然后將殼模放入封閉環(huán)境中，放置氨水，氨水濃度為40%，優(yōu)選每Im3對應IOml氨水,進行氨干15 45分鐘，目的是使型殼快速硬化；氨干后，再放置在溫度為25 27°C，濕度為50 70%的通風環(huán)境下干燥15 20分鐘；然后采用相同的方法，涂覆800 1100目的Al2O3砂與硅酸乙酯水解液組成的漿料，撒粒度為35 45目的Al2O3砂涂掛第3 4層，干燥，氨干，干燥； 撒粒度為20 30目的Al2O3涂掛第5 7層，干燥，氨干，再干燥；最后撒粒度為6 10目的煅燒后的電熔Al2O3砂，干燥，氨干，然后把殼模在強化劑里浸泡2 3分鐘，在通風處放 7 12小時。步驟3)，蒸汽脫蠟或溫水脫蠟后的殼模放置I 2小時后進行燒結，燒結過程為加熱到400 500°C保溫I I. 5小時，再加熱到700 800°C保溫I I. 5小時，最后加熱到900 1100°C保溫I 2小時，冷卻至室溫后可取出。本發(fā)明的優(yōu)點1、本發(fā)明采用的ZrO2作為面層材料，ZrO2相對于熔融態(tài)TiAl基合金具有較好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，鑄出的鑄件有高的表面質量和表面光潔度。2、本發(fā)明采用的背層型殼材料為Al2O3砂，剛玉砂價格便宜，熔點高，導熱性能好, 熱膨脹系數小。3、本發(fā)明所采用的背層粘結劑是自制的硅酸乙酯水解液，該水解液制作方便，保存時間長，無毒無害，制作后的模殼有足夠的強度。4、本發(fā)明所用的面層耐火材料撒沙粒度為120 180目的ZrO2細砂，形成致密表面光潔度高的面層，可以起到即加固面層又可以防止較大砂粒穿透面層漿料造成鑄型表面粗糙。5、本發(fā)明在型殼干燥期間加入氨干干燥過程，使干燥時間大大縮短，提高了制殼效率。
具體實施例方式以下實施例中正硅酸乙酯(以SiO2計)28%鋯溶膠產地大連斯諾化學新材料科學技術有限公司，室溫為25°C。實施例II)室溫下將粒度為325目的ZrO2與鋯溶膠按粉液比3 I (g/ml)比例配置成漿料，然后添加正辛醇和消泡劑，兩種添加物的重量百分比分別是在3%。、5%。，即在鋯溶膠攪拌過程中加入ZrO2粉料、正辛醇、消泡劑(商品化)，然后攪拌I. 5小時，靜置24小時，這時漿料的粘度是流杯粘度49秒。2)將蠟模在涂料中浸入8秒并輕微轉動，使?jié){料完全覆蓋蠟模，把蠟模取出，空置 5秒，使多余漿料流走，并保證蠟模上所剩漿料均勻覆蓋蠟模，撒粒度為120目的ZrO2砂作為面層，然后在溫度為25°C,濕度為65%的非流通環(huán)境下放置12小時。用粒度為800目的煅燒后的電熔Al2O3按與硅酸乙酯水解液重量比2. 2 : I倒入在攪拌中的硅酸乙酯水解液并且連續(xù)攪拌I. 5小時，攪拌后流杯粘度為43秒；把型殼浸入漿料中，放置8秒，并輕微旋轉，取出型殼，空置2秒，撒粒度為70目的煅燒后的電熔Al2O3砂，然后放置在溫度為25°C， 濕度為65%的微通風處20分鐘；放入含有氨水濃度為40%密閉柜中15分鐘；放置到通風的地方10分鐘，此為第2層；然后撒粒度為40目的煅燒后的電熔Al2O3砂，并在以上相同步驟下，涂掛3 4層；撒粒度為20目的煅燒后的電熔Al2O3砂，重復相同涂覆步驟，涂掛5 7層，最后撒粒度為5目的煅燒后的電熔Al2O3砂，重復相同步驟后，最后再在強化劑中浸泡 3分鐘，然后干燥12小時把模型放到加熱爐中加熱到150°C，脫蠟后，放置2小時，然后進行燒結，燒結方法為450°C保溫I. 5小時，780°C保溫I. 5小時，最后在980°C保溫2小時。當爐冷到室溫時取出型殼。型殼內表面光滑，強度足夠。澆注后TiAl基合金鑄件與模殼反應小，具有高的表面質量。上述硅酸乙酯水解液的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇、鹽酸和硼酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml 水ml 無水乙醇ml 濃鹽酸g 硼酸g為 800 160 600 8 4 ;強化劑的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇和鹽酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml :水ml :無水乙醇ml :濃鹽酸g為900 180 650 4。對用上述方法制備的模殼進行TiAl合金的鑄造實驗，所得鑄件澆注表面質量高， 無粘砂現象，型殼潰散性好，強度3. 5MPa。實施例23)將粒度為400目的ZrO2與鋯溶膠按粉液比2. 8 : I (g/ml)比例配置成漿料，然后添加正辛醇和消泡劑，兩種添加物的重量百分比分別是在1%。、3%。，在鋯溶膠攪拌過程中加入ZrO2粉料、正辛醇、消泡劑，然后攪拌I小時，靜置24小時，這時漿料的粘度是流杯粘度58秒。4)將蠟模在涂料中浸入8秒并輕微轉動，使?jié){料完全覆蓋蠟模，把蠟模取出，空置5秒，使多余漿料流走，并保證蠟模上所剩漿料均勻覆蓋蠟模，撒粒度為100目的ZrO2砂作為面層，然后在溫度為28°C,濕度為70%的非流通環(huán)境下放置12小時。用粒度為1100目的煅燒后的電熔Al2O3按與硅酸乙酯水解液重量比2. 4 I倒入在攪拌中的硅酸乙酯水解液并且連續(xù)攪拌I小時，攪拌后流杯粘度為38秒；把型殼浸入漿料中，放置5秒，并輕微旋轉，取出型殼，空置2秒，撒粒度為80目的煅燒后的電熔Al2O3砂，然后放置在溫度為28°C， 濕度為70%的微通風處15分鐘；放入含有氨水濃度為40%密閉柜中15分鐘；放置到通風的地方15分鐘，此為第2層；然后撒粒度為50目的煅燒后的電熔Al2O3砂，并在以上相同步驟下，涂掛3 4層；撒粒度為30目的煅燒后的電熔Al2O3砂，重復相同步驟，涂掛5 7 層，最后撒粒度為4目的煅燒后的電熔Al2O3砂，重復相同步驟后，最后再在強化劑中浸泡2 分鐘，然后干燥12小時5)把模型放到加熱爐中加熱到150°C，脫蠟后，放置2小時，然后進行燒結，燒結方法為400°C保溫2小時，800°C保溫2小時，最后在900°C保溫2小時。當爐冷到室溫時取出型殼。型殼內表面光滑，強度足夠為4. OMPa。硅酸乙酯水解液的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇、鹽酸和硼酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml 水ml 無水乙醇ml 濃鹽酸g 硼酸g為 1000 170 630 10 3. 5 ;強化劑的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇和鹽酸的混合液， 其用量關系為正硅酸乙酯ml :水ml :無水乙醇ml :濃鹽酸g為1100 165 645 5。
模殼內表面質量好，燒注后TiAl基合金鑄件與模殼反應小,具有高的表面質量。
權利要求
1.一種熔模鑄造TiAl基合金殼模的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)將粒度為300 400目的ZrO2粉與鋯溶膠按粉液比g/ml為2.5 I 3. 5 I配置成室溫流杯粘度為40 55秒的漿料；2)將上述漿料涂覆在蠟模上，撒粒度為120 180目的ZrO2砂，干燥；采用800 1100 目的Al2O3砂與硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 : I 2. 4 : I配置成室溫流杯粘度為35 55秒的漿料，涂覆第2層，撒砂粒度為60 90目的Al2O3砂，氨干，干燥；3)然后涂覆步驟2)的漿料，再撒粒度為30 50目的Al2O3砂，依次重復涂覆漿料和撒砂，制備第3 4層，氨干，干燥；接著再涂覆步驟2)的漿料，撒粒度為16 25目的Al2O3 涂掛，并依次重復涂覆漿料和撒砂制備第5 7層，氨干，干燥；最后涂覆步驟2)的漿料，并撒6 10目的Al2O3砂制備最后一層，浸入強化劑，干燥；4)脫蠟，燒結。
2.按照權利要求I的方法，其特征在于Al2O3為經過煅燒的電熔Al2O3，硅酸乙酯水解液的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇、鹽酸和硼酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml 水ml :無水乙醇ml :濃鹽酸g :硼酸g為(800-1200) (150-180) (600-650) (8-10 )(3-4);強化劑的成分為正硅酸乙酯、水、無水乙醇和鹽酸的混合液，其用量關系為正硅酸乙酯ml :水ml :無水乙醇ml :濃鹽酸g為(800-1200) (150-180) (600-650) (4-6 )。
3.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟I)所述漿料制備過程中還添加潤濕劑、 消泡劑，其中潤濕劑占漿料的重量百分含量為I 3%。，消泡劑占漿料的重量百分比為3 5%。，其中潤濕劑為正辛醇；邊攪拌鋯溶膠邊將ZrO2粉加入，然后再依次加入潤濕劑、消泡劑，攪拌2小時以上，放置12小時以后可涂料。
4.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟2)和3)的具體步驟為將蠟模浸入上述漿料中，浸泡5 10秒，期間轉動蠟模以便涂料覆型均勻，取出蠟模后懸放3 5秒，流掉多余涂料，撒粒度為120 180目數的ZrO2砂，在溫度為25 27°C，濕度為50 70%的環(huán)境下干燥12小時以上，構成面層；用800 1100目數的Al2O3砂與硅酸乙酯水解液按重量比2. 2 I 2. 4 I配置成室溫流杯粘度為35 55秒的漿料，涂掛第2層，方式與涂覆第一層相同，撒粒度為60 90目的Al2O3砂，在溫度為25 27°C、濕度為50 70%的環(huán)境下風干15 30分鐘，然后將殼模放入封閉環(huán)境中，放置氨水，氨水濃度為40 %，進行氨干15 45分鐘，目的是使型殼快速硬化；氨干后，再放置在溫度為25 27°C，濕度為50 70%的通風環(huán)境下干燥15 20分鐘；然后采用相同的方法，涂覆800 1100目的Al2O3砂與硅酸乙酯水解液組成的漿料，撒粒度為35 45目的Al2O3砂涂掛第3 4層，干燥，氨干，干燥；撒粒度為20 30目的Al2O3涂掛第5 7層，干燥，氨干，再干燥；最后撒粒度為 6 10目的煅燒后的電熔Al2O3砂,干燥,氨干,然后把殼模在強化劑里浸泡2 3分鐘,在通風處放7 12小時。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，氨干時，每Im3封閉環(huán)境對應IOml氨水。
6.按照權利要求I的方法，其特征在于，步驟3)，蒸汽脫蠟或溫水脫蠟后的殼模放置 I 2小時后進行燒結，燒結過程為加熱到400 500°C保溫I I. 5小時，再加熱到700 800°C保溫I I. 5小時，最后加熱到900 1100°C保溫I 2小時，冷卻至室溫后可取出。
全文摘要
一種熔模鑄造TiAl基合金殼模的制備方法，屬于精密鑄造技術領域。首先將ZrO2與鋯溶膠配置成漿料；將上述漿料涂掛蠟模后，撒粒度為120～180目的ZrO2砂；然后將Al2O3與硅酸乙酯水解液配置成漿料，接著將漿料涂掛模殼后，撒粒度為60～90目的Al2O3砂、并重復若干次漿料涂覆和撒砂，砂依次為40～50、20～30、6～10目的Al2O3砂，干燥；脫蠟，焙燒。本發(fā)明制備模殼強度足夠，制作周期短，模殼內表面質量好，澆注后TiAl基合金鑄件與模殼反應小，具有高的表面質量。
文檔編號B22C9/04GK102601307SQ201210110420
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權日2012年4月13日
發(fā)明者相志磊, 聶祚仁, 肖連博, 陳子勇 申請人:北京工業(yè)大學