一種TiAl合金熔模精密鑄造型殼的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種TiAl合金熔模精密鑄造型殼的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiAl合金由于其密度低，比強(qiáng)度高，高溫抗蠕變及抗氧化性能好，在航空航天及工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。TiAl合金的制備方法可以分為三種典型的制備路線:粉末冶金法、鑄錠冶金+熱機(jī)械處理法及精密鑄造法。熔模精密鑄造制備TiAl合金具有其他工藝無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，尤其是在形狀復(fù)雜的薄壁構(gòu)件的生產(chǎn)上，該方法可以實(shí)現(xiàn)近凈成形，得到無(wú)余量或近無(wú)余量的精密構(gòu)件，大幅降低損耗，提高材料利用率。美國(guó)通用電氣公司已于20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)制造出TiAl合金熔模精密鑄件，并應(yīng)用于民用飛機(jī)。在過(guò)去二十余年的發(fā)展下，TiAl合金熔模精密鑄造技術(shù)日趨成熟，在美國(guó)、歐洲、日本等地區(qū)相繼得到應(yīng)用。在目前TiAl合金的應(yīng)用中，精鑄件占有絕大部分比例。
[0003]在高溫熔融的條件下，TiAl合金中的Ti元素極為活潑，幾乎能與所有元素均發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此在TiAl合金熔模精密鑄造型殼的設(shè)計(jì)過(guò)程中，面層材料的化學(xué)穩(wěn)定性是重要參數(shù)。TiAl合金熔模精密鑄造的造型材料中粘結(jié)劑和耐火材料的選擇對(duì)鑄件的界面反應(yīng)程度、表面氧化程度及表面粗糙度等將產(chǎn)生直接影響，因而粘結(jié)劑和耐火材料的選擇至關(guān)重要。粘結(jié)劑需能潤(rùn)濕粘結(jié)耐火材料，對(duì)光潔的蠟?zāi)＞哂休^好的涂掛，同時(shí)焙燒后的分解產(chǎn)物對(duì)熔融TiAl具有較好的化學(xué)惰性。碳酸鋯銨、釔溶膠、醋酸鋯和鋁溶膠等有機(jī)化合物在目前TiAl合金熔模精密鑄造中應(yīng)用廣泛。其中釔溶膠結(jié)合氧化釔涂掛性能好，界面反應(yīng)程度弱，但其成本較高。碳酸鋯銨和醋酸鋯在高溫焙燒后生成產(chǎn)物均為Zr02。其中醋酸鋯粘結(jié)性較好，高溫焙燒后面層耐沖刷性能較好，價(jià)格次于釔溶膠；碳酸鋯銨焙燒后粘結(jié)性稍差，但其成本較低，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多。
[0004]TiAl合金熔模精密鑄造的耐火材料主要為金屬氧化物，當(dāng)前使用的主要包括ZrO2和Y2O3等。Y 203陶瓷型殼導(dǎo)熱率低，強(qiáng)度高，高溫化學(xué)惰性好，澆注鑄件表面光亮，尺寸精度高，但是其成本較高。電熔ZrO2是重要的面層材料，它是由化學(xué)提純的無(wú)定形ZrO2經(jīng)過(guò)電熔爐融冷凝結(jié)而成的結(jié)晶Zr02。ZrO2型殼生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可澆注高精度薄壁鑄件，但所制鑄件表面粘砂層較厚，并容易發(fā)生表面氣孔傾向。CaO價(jià)格低廉，來(lái)源廣泛，對(duì)熔融鈦的惰性優(yōu)于ZrO2，但其工藝性不佳，極易吸潮，給型殼的制備和存放帶來(lái)很大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有TiAl合金熔模精密鑄造陶瓷型殼成本高以及界面反應(yīng)嚴(yán)重的問(wèn)題，而提供一種TiAl合金熔模精密鑄造型殼的制備方法。
[0006]本發(fā)明的一種TiAl合金熔模精密鑄造型殼的制備方法按以下步驟進(jìn)行:
[0007]—、面層楽料的配制:在攪拌速度為20r/min?40r/min的條件下向碳酸錯(cuò)錢(qián)中加入消泡劑和潤(rùn)濕劑，得到混合液，然后以加入速度為200g/min?300g/min向混合液中加入ZrC^P CaCO 3，在攪拌速度為20r/min?40r/min的條件下攪拌混合至ZrC^P CaCO 3均勾分散在混合液中，然后在攪拌速度為80r/min?100r/min的條件下攪拌22h?24h，再靜置8h?12h，得到面層漿料；
[0008]所述的ZrO^ CaCO3的質(zhì)量比為(1.0?1.5):1 ;所述的ZrO 2與CaCO 3的質(zhì)量之和與碳酸鋯銨的質(zhì)量比為(2.5?3.0):1 ;所述的碳酸鋯銨與消泡劑的質(zhì)量比為100:(0.05?0.2);所述的碳酸鋯銨與潤(rùn)濕劑的質(zhì)量比為100: (0.05?0.2)；
[0009]二、面層型殼的制備:將蠟?zāi)＝氩襟E一得到的面層漿料中，轉(zhuǎn)動(dòng)蠟?zāi)Ｊ瓜災(zāi)１砻嫱耆幻鎸訚{料涂覆，然后將涂覆有面層漿料的蠟?zāi)Ｌ崞?，再進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)采用雨淋式撒砂機(jī)在涂覆有面層漿料的蠟?zāi)１砻婢鶆蛄苋鲆粚恿６葹?0目的ZrO2*，然后轉(zhuǎn)至恒溫恒濕的條件下干燥22h?24h，得到面層型殼；
[0010]所述的恒溫恒濕參數(shù)為:溫度為25°C，濕度為50%?60% ;
[0011]三、臨面層型殼的制備:將步驟二得到的面層型殼浸入步驟一得到的面層漿料中，轉(zhuǎn)動(dòng)面層型殼使面層型殼表面完全被面層漿料涂覆，然后將涂覆有面層漿料的面層型殼提起，再進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)采用雨淋式撒砂機(jī)在涂覆有面層漿料的面層型殼表面均勻淋撒一層粒度為80目的ZrO2*，然后轉(zhuǎn)至恒溫恒濕的條件下干燥22h?24h，得到臨面層型殼；
[0012]所述的恒溫恒濕參數(shù)為:溫度為25°C，濕度為50%?60% ;
[0013]四、背層型殼的制備:在攪拌速度為20r/min?40r/min的條件下向娃溶膠中以加入速度為200g/min?300g/min加入娃藻土，然后在攪拌速度為40r/min?60r/min的條件下攪拌混合6h，得到背層漿料，然后將步驟三得到的臨面層型殼浸入背層漿料中，轉(zhuǎn)動(dòng)臨面層型殼使臨面層型殼表面完全被背層漿料涂覆，然后將涂覆有背層漿料的臨面層型殼提起，再進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)采用雨淋式撒砂機(jī)在涂覆有背層漿料的臨面層型殼表面均勻淋撒一層砂，然后轉(zhuǎn)至恒溫恒濕的條件下干燥22h?24h，得到背層型殼；
[0014]所述的硅溶膠與硅藻土的質(zhì)量比為1: (1.6?2.2)；
[0015]所述的恒溫恒濕參數(shù)為:溫度為25°C，濕度為50%?60% ;
[0016]所述的砂為粒度為32目的莫來(lái)石砂或粒度為32目的石英砂；
[0017]五、封漿:將步驟四得到的得到背層型殼進(jìn)行3次背層撒砂操作，然后將干燥后的背層型殼浸入步驟四中所述的背層漿料中，轉(zhuǎn)動(dòng)背層型殼使背層型殼表面完全被背層漿料涂覆，然后將涂覆有背層漿料的背層型殼提起，在恒溫恒濕的條件下干燥45h?50h，得到封楽后的型殼；
[0018]所述的背層撒砂操作步驟為:將步驟四得到的背層型殼進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)采用雨淋式撒砂機(jī)在背層型殼的表面均勻淋撒一層砂，然后轉(zhuǎn)至恒溫恒濕的條件下干燥22h ?24h ；
[0019]所述的恒溫恒濕參數(shù)為:溫度為25°C，濕度為50%?60% ;
[0020]所述的砂為粒度為32目的莫來(lái)石砂或粒度為32目的石英砂；
[0021]六、脫蠟與焙燒:將步驟五得到的封漿后的型殼進(jìn)行蒸汽脫蠟，脫蠟壓力為0.5MPa?0.7MPa，脫蠟時(shí)間為6min?lOmin，將脫蠟完成的型殼放入高溫馬弗爐中隨爐升溫至溫度為400°C，并在溫度為400°C下保溫2h，繼續(xù)升溫至溫度為800°C，并在溫度為800°C下保溫2h，再升溫至溫度為1100?1450°C，并在溫度為1100?1450°C下保溫2h，完成焙燒，得到TiAl合金熔模精密鑄造型殼。
[0022]本發(fā)明有益效果
[0023]本發(fā)明是針對(duì)TiAl合金熔模精密鑄造陶瓷型殼高成本、界面反應(yīng)嚴(yán)重等問(wèn)題，在型殼面層材料中加入廉價(jià)的CaCO3，經(jīng)過(guò)一定的焙燒工藝后，使型殼面層耐火材料發(fā)生反應(yīng)，生成高惰性耐火材料CaZrO3陶瓷，顯著降低TiAl合金熔模精密鑄造界面反應(yīng)的程度，達(dá)到降低TiAl合金熔模精密鑄造成本、減小界面反應(yīng)的目的。本發(fā)明的型殼鑄件表面光亮，無(wú)明顯粘砂，界面反應(yīng)層厚度約為30 μ m，與傳統(tǒng)型殼相比有很大改善。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為ZrO2型殼澆注TiAl合金鑄件的SEM照片；
[0025]圖2為試驗(yàn)二 21*02+0&0)3型殼澆注TiAl合金鑄件的SEM照片；
[0026]圖3為21<)2型殼澆注TiAl合金鑄件界面反應(yīng)層硬度變化趨勢(shì)圖；
[0027]圖4為試驗(yàn)二 2102+0&0)3型殼澆注TiAl合金鑄件界面