專利名稱：熔模鑄鈦用水基氧化鋯涂料的懸浮劑及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于熔模鑄造涂料配制領域，具體涉及了一種用于鈦合金熔模精密鑄造型殼面層水基氧化鋯涂料的懸浮劑及其制備方法與應用。
背景技術：
鈦及鈦合金的密度小、比強度高，工作溫度范圍較寬，并且具有優(yōu)良的抗蝕性。從20世紀50年代開始，由于航空航天技術的迫切需求，鈦 工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。現(xiàn)在，鈦及鈦合金不僅是航空航天工業(yè)中不可缺少的結構材料，在造船、化工、冶金、醫(yī)療等方面也獲得了廣泛的應用。但是，由于鈦合金零部件的加工難度大，采用傳統(tǒng)的塑性加工方法進行鍛造加工的鈦制件，其加工余量大、金屬利用率低、生產(chǎn)成本高，且無法制備一些復雜形狀的零件，這極大地限制了鈦的應用范圍。為了改變這種狀態(tài)，國內(nèi)外研究人員對鈦合金近成品件尺寸加工工藝進行了探索，其中包括精鍛、精鑄、擴散焊與粉末冶金等，實踐表明鈦合金精鑄工藝是最成功的、經(jīng)濟效益最顯著的工藝。經(jīng)研究比較發(fā)現(xiàn)，鑄造特別是熔模精密鑄造不僅能節(jié)省大量金屬提高金屬利用率降低成本，還可以制備一些形狀復雜的零件，因此熔模精密鑄造對于鈦合金零件的制備最有潛力的生產(chǎn)制造方法。熔模鑄造也稱失蠟鑄造，它是用可熔性一次模料和一次型使得鑄件成形的鑄造方法。采用該方法生產(chǎn)的鑄件表面粗糙度低、尺寸精確，因此，亦稱為熔模精密鑄造。鈦合金為最難于精鑄成形的工業(yè)金屬，因為鈦的熔點高、化學活性大、鈦金屬液幾乎與所有的耐火材料發(fā)生不同程度的反應，因此大大影響了鈦精密鑄件的外觀質量及力學性能，直到20世紀70年代初，鈦合金精密鑄件才正式用于航空工業(yè)。此后，鈦及鈦合金熔模精密鑄造技術逐步得到了工業(yè)生產(chǎn)的應用，鈦和鈦合金熔模精密鑄造技術得到了迅速的發(fā)展。目前工業(yè)上用的98%以上的鈦合金鑄造結構件都是熔模精密鑄造的。鈦合金熔模精密鑄造技術中型殼的制備是整個熔模制造中重要的關鍵工藝，型殼不僅影響鈦合金精鑄件的表面質量，而且型殼的透氣性、強度、高溫穩(wěn)定性對鈦合金制件的澆注過程、力學性能、鑄造缺陷及鑄件污染層都有很大的影響。因此，國內(nèi)外對于型殼的制造，開展了大量的研究。如專利《用于鈦合金精密鑄造的低成本氧化物陶瓷型殼的制備方法》中采用剛玉粉和硅溶膠為面層制備的型殼可以制造出高表面質量、薄壁復雜耐熱鈦合金鑄件；文獻《鈦合金精密鑄造陶瓷型殼性能的研究》中，對Y/ Y、ZY/ZY和TJ/ZC等三種面層材料的性能進行了研究，實驗表明，TJ/ZC材料是鈦合金精密鑄造理想的面層材料。目前，鈦合金熔模制造中型殼制備的一個難點是在制殼過程中涂料的配制常常由于涂料內(nèi)部結構不穩(wěn)定、耐火粉與溶膠粒子之間相互排斥，致使涂料的懸浮穩(wěn)定性不良，較易沉淀板結進而使涂料失效，同時，由于涂料在使用過程中易沉淀分層以及涂料粘度發(fā)生較大變化而造成涂掛不均勻，致使所制型殼壁厚不均勻，容易在薄壁處承受不住液態(tài)合金的作用而開裂，最終導致鈦液澆注失敗。因此，解決涂料的懸浮性問題十分必要。目前，文獻《鈉基膨潤土對硅溶膠涂料懸浮性的影響》中采用加入l%Wt鈉基膨潤土改善硅溶膠涂料的懸浮性，但是由于膨潤土的加入量相對偏高，澆注時會與鈦液發(fā)生反應形成較厚的污染層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對鈦合金熔模精密鋳造用型殼水基氧化鋯涂料提出ー種懸浮劑配方，可有效改善水基氧化鋯涂料的懸浮性、延長了其保存時間、提高了型殼的質量，同時加入量也僅有0. 02-0. 05%wt，澆注時與鈦液的接觸很少，因此鑄件表面質量好、污染層較薄。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下 的技術方案來實現(xiàn)的
ー種用于鈦合金熔模鑄造型殼水基氧化鋯涂料的懸浮劑，其特征在于由以下成分按質量百分比組成
羧甲基纖維素鈉0.7-1.4%
陰離子型聚丙烯酰胺 0. 1-0. 3%
納米級鈉基膨潤土 0. 2-0. 6%
蒸餾水余量
所述的羧甲基纖維素鈉選用的牌號為FM6，其2%水溶液的粘度為300-600cp ;所述的陰尚子型聚丙烯酰胺的分子量為300-2200萬。懸浮劑的最優(yōu)配方由以下成分按質量百分比組成
羧甲基纖維素鈉1.0%
陰離子型聚丙烯酰胺 0.2%
納米級鈉基膨潤土 0. 4%
蒸餾水余量。該懸浮劑的具體制備過程，其特征在于包括以下步驟
步驟I :首先分別配制20g/L的羧甲基纖維素鈉、10g/L的陰離子型聚丙烯酰胺、20g/L納米級鈉基膨潤土的水溶液，并將羧甲基纖維素鈉溶液和聚丙烯酰胺溶液分別放入40-60°C的水浴鍋中以100-160轉/分鐘的機械攪拌30分鐘備用；
步驟2 :然后將攪拌至膠體狀的羧甲基纖維素鈉溶液、聚丙烯酰胺溶液和納米級鈉基膨潤土溶液混合，保證羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺和鈉基膨潤土的質量百分比分別為0. 7-1. 4%、0. 1-0. 3%、0. 2-0. 6%，繼續(xù)在40_60°C的水浴鍋中機械攪拌1_3小時，即可獲得懸浮劑。該懸浮劑的應用方法為每100毫升原有水基氧化鋯涂料中加入3-6毫升的懸浮劑即可有效改善其懸浮性，這里的水基氧化鋯涂料是指采用安定氧化鋯為耐火粉、碳酸鋯銨膠液為粘結劑的水基涂料。加入懸浮劑后測試所制涂料的PH值，通過添加氨水或者蒸餾水將其控制在9. 0-10. 0之間，穩(wěn)定涂料的粘度在所需范圍內(nèi)后即可涂桂。本發(fā)明的有益效果是將原氧化鋯水基涂料的懸浮性從75%左右提高到了 95%，有效的防止了涂料的沉淀板結，提高了涂料的使用壽命并改善了型殼的均勻性，同時由于加入量很少所以在澆注時與鈦液的接觸有限，形成的鈦合金鑄件污染層較薄。本方法實施成本低廉、エ藝步驟簡單易實施，只需在原涂料配制過程中加入3%-6%體積份數(shù)的本發(fā)明所配置的懸浮劑即可，能有效提高氧化鋯水基涂料的懸浮性，對原有涂料的其他性能還有一定的提高，如涂料粘度上升了 3秒、涂料所制型殼的室溫抗彎強度基本不變，并且涂料的厚度還提高了 I毫米，優(yōu)化了涂料的綜合工藝性能。


圖I過渡層和背層漿料、砂料的選擇；
圖2檢測結果；
圖3鑄鈦件表面污染層。
具體實施例方式以下通過具體的實施例對本發(fā)明的技術方 案作進一步描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例，該領域的技術熟練人員可以根據(jù)上述內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質的改進和調(diào)整，都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。分別配制20g/L的CMC、10g/L的PAMA、20g/L鈉基膨潤土的水溶液，并將前兩種溶液放入40-60°C的水浴鍋中攪拌30分鐘至溶膠狀備用。其中所述的羧甲基纖維素鈉選用的牌號為FM6，其2%水溶液的粘度為300-600cp ;所述的陰離子型聚丙烯酰胺的分子量為300-2200 萬。然后按照碳酸鋯銨膠液、潤濕劑A35、325目安定氧化鋯粉、消泡劑N_F的添加順序依次配制粉液比(安定氧化鋯粉的質量與碳酸鋯銨膠液的體積比)為5. O的水基涂料。將不同的懸浮劑配方加入到粉液比為5. O的水基涂料中，以40-50轉/分鐘的攪拌速度攪拌12小時后測試涂料性能。以下實施例為不同懸浮劑配方的列舉
實施例I
粉液比5. O的氧化鋯水基涂料IOOml實施例2
粉液比5. O的氧化鋯水基涂料IOOml CMC溶膠液2. 5ml PAM溶膠液Iml 納米級鈉基膨潤土溶液Iml 實施例3
粉液比5. O的氧化鋯水基涂料IOOml CMC溶膠液2. 5ml PAM溶膠液O. 5ml
納米級鈉基膨潤土溶液O. 5ml 實施例4
粉液比5. O的氧化鋯水基涂料IOOml CMC溶膠液Iml PAM溶膠液Iml 納米級鈉基膨潤土溶液Iml 實施例5粉液比5. O的氧化鋯水基涂料IOOml CMC溶膠液2. 5ml PAM溶膠液1.5ml 納米級鈉基膨潤土溶液Iml 實施例6
粉液比5. 0的氧化鋯水基涂料IOOml CMC溶膠液Iml PAM溶膠液0. 5ml 納米級鈉基膨潤土溶液0. 7ml
采用上述涂料進一步制備熔模鑄造型殼并且澆 注鈦鑄件的エ藝流程為一、采用K512蠟料壓制蠟模；ニ、在蠟模表面涂掛2層面層、I層過渡層和6層背層，每層之間間隔12小時干燥，其中每層包括涂掛涂料和撒砂，面層涂料即為上述加入懸浮劑的水基氧化鋯涂料、所撒砂料為100目氧化鋯砂，過渡層和背層漿料、砂料的選擇如圖I所示；三、將干燥完全的型殼放入高壓蒸汽脫蠟釜中進行脫蠟，脫蠟參數(shù)為壓カ為0. 7MPa，脫蠟時間為14分鐘，溫度為170°C;四、步驟三脫蠟后的型殼在950-1100°C條件下焙燒I. 5小時；五、步驟四中焙燒后的型殼放入真空凝殼爐中，然后將鈦或鈦合金(本實驗采用エ業(yè)純鈦TA2)熔煉后澆注到型殼中進行重力鋳造，冷卻至室溫即可得到鑄鈦件。對上述配方制得的涂料進行粘度、覆蓋性、室溫抗彎強度、懸浮率、保存時間、鑄鈦件的表面粗糙度測試，結果如圖2所示。粘度測試按照HB5351. 1-2004標準進行。覆蓋性測試按照HB5351. 6-2004標準進行。室溫抗彎強度測試按照HB5352. 1-2004標準進行。懸浮率測試按照GB/T5107-1991標準進行，測試24小時后涂料的懸浮率。涂料保存時間測試對所制涂料以40-50轉/分鐘的攪拌速度不間斷攪拌，每隔12小時測定其粘度、懸浮率、PH值，當測定結果出現(xiàn)突變時即為涂料失效時間，記錄涂料從開始攪拌到失效之間的時間即為涂料保存時間。鑄鈦件的表面粗糙度測試采用手持粗糙儀TR200對澆注后未經(jīng)處理的鑄鈦零件表面直接測定。圖3所示為實施例2所制涂料澆注出的TA2鑄件表面污染層。從圖片可以看出，鈦鑄件的表面污染層很薄(大約200um左右)，且厚度均勻，因此這些污染層可以通過之后的噴砂、酸洗等去除，從而獲得良好的鈦鑄件。從上述實例可以看出，本發(fā)明所公開的懸浮劑配方能有效提高原有氧化鋯水基涂料的懸浮性，延長了涂料的保存時間，同時懸浮劑的加入増加了涂料的流杯粘度和涂片厚度，涂料的厚度也很均勻，室溫抗彎強度也基本不變，優(yōu)化了涂料的綜合エ藝性能，添加本發(fā)明所公開的懸浮劑后澆注所得的鑄鈦件表面污染層小于200um，完全可經(jīng)后續(xù)處理去除。
權利要求
1.一種熔模鑄鈦用水基氧化鋯涂料的懸浮劑，其特征在于由以下成分按質量百分比組成 羧甲基纖維素鈉0.7-1.4% 陰離子型聚丙烯酰胺 O. 1-0. 3% 納米級鈉基膨潤土 O. 2-0. 6%蒸餾水余量 所述的羧甲基纖維素鈉選用的牌號為FM6，其2%水溶液的粘度為300-600cp ;所述的陰尚子型聚丙烯酰胺的分子量為300-2200萬。
2.根據(jù)權利要求I所述的熔模鑄鈦用水基氧化鋯涂料的懸浮劑，其特征在于，懸浮劑的最優(yōu)配方由以下成分按質量百分比組成 羧甲基纖維素鈉1.0% 陰離子型聚丙烯酰胺 0.2% 納米級鈉基膨潤土 O. 4% 蒸餾水余量。
3.根據(jù)權利要求I所述的熔模鑄鈦用水基氧化鋯涂料的懸浮劑的制備過程，其特征在于包括以下步驟 步驟I :首先分別配制20g/L的羧甲基纖維素鈉、10g/L的陰離子型聚丙烯酰胺、20g/L納米級鈉基膨潤土的水溶液，并將羧甲基纖維素鈉溶液和聚丙烯酰胺溶液分別放入40-60°C的水浴鍋中以100-160轉/分鐘的機械攪拌30分鐘備用； 步驟2 :然后將攪拌至膠體狀的羧甲基纖維素鈉溶液、聚丙烯酰胺溶液和納米級鈉基膨潤土溶液混合，保證羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺和鈉基膨潤土的質量百分比分別為O. 7-1. 4%、0. 1-0. 3%、0. 2-0. 6%，繼續(xù)在40_60°C的水浴鍋中機械攪拌1_3小時，即可獲得懸浮劑。
4.根據(jù)權利要求I所述的熔模鑄鈦用水基氧化鋯涂料的懸浮劑的應用方法為 每100毫升原有水基氧化鋯涂料中加入3-6毫升的懸浮劑即可有效改善其懸浮性，這里的水基氧化鋯涂料是指采用安定氧化鋯為耐火粉、碳酸鋯銨膠液為粘結劑的水基涂料；加入懸浮劑后測試所制水基氧化鋯涂料的PH值，通過添加氨水或者蒸餾水將其控制在9. 0-10. O之間，穩(wěn)定涂料的粘度在所需范圍內(nèi)后即可涂掛。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熔模鑄鈦用水基氧化鋯涂料的懸浮劑及其制備方法與應用，屬于鈦合金熔模鑄造中高精度型殼制造的領域。所述懸浮劑配方由以下成分按質量百分比組成羧甲基纖維素鈉0.7-1.4%、陰離子型聚丙烯酰胺0.1-0.3%、納米級鈉基膨潤土0.2-0.6%、余量為蒸餾水。本發(fā)明可以制備得到懸浮性能優(yōu)異、涂覆均勻的鈦合金熔模鑄造型殼用水基涂料，所制涂料的懸浮率高達95%，比未加懸浮劑的涂料提高了20%，同時由于懸浮劑的加入量很少，所以在澆注時與鈦液的接觸有限，形成的鈦合金鑄件污染層較薄。
文檔編號B22C3/00GK102847870SQ20121027902
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權日2012年8月8日
發(fā)明者姚正軍, 李婷, 魏東博, 周金堂, 羅西希, 周文斌, 朱俊謀 申請人:南京航空航天大學