高活性合金定向凝固用型殼及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高活性合金定向凝固用型殼，型殼面層由型殼面層漿料和型殼面層撒砂材料固化結(jié)合成型，型殼面層漿料的組分主要包括配制漿料用粉體、粘結(jié)劑和輔助添加劑包括表面活性劑、消泡劑，型殼面層撒砂的骨料為粉體材料，型殼面層漿料中的配制漿料用粉體和型殼面層撒砂材料的骨料用粉體皆為BaO-ZrO2復(fù)合型氧化物耐火材料，其主要成分為40-55wt%的BaO、45-60wt%的ZrO2，其他雜質(zhì)含量<3%。本發(fā)明型殼用ZrO2-BaO復(fù)合型氧化物作為型殼的面層材料的主要組分，能顯著降低高活性合金在定向凝固過程中與型殼材料的界面反應(yīng)程度，獲得更理想的定向凝固組織，適合在高活性合金定向凝固工藝或單晶制備過程中應(yīng)用。
【專利說明】高活性合金定向凝固用型殼及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種耐火材料及應(yīng)用，特別是涉及一種耐火材料在高活性合金熔體定向凝固工藝中的應(yīng)用，應(yīng)用于定向凝固鑄型【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]定向凝固工藝經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善，越來越成熟，因此被成功地應(yīng)用于制造航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片等鑄件。定向凝固用陶瓷型殼的工作過程決定了陶瓷型殼材料的工作條件十分苛刻。型殼需要在1500~1600°C的高溫下長時間工作，定向凝固過程中型殼與高溫合金熔液接觸并保持完整的時間至少Ih或更長。因此要獲得優(yōu)質(zhì)型殼，型殼材料應(yīng)滿足以下要求:①型殼材料與高溫合金液潤濕性好，在長時間高溫高真空條件下，金屬液和型殼之間不產(chǎn)生明顯的化學(xué)反應(yīng)；②型殼具有足夠的耐熱溫度、高溫強(qiáng)度和高溫抗蠕變性能，能抵御熔融金屬的機(jī)械沖擊和熱沖擊型殼具有優(yōu)良而穩(wěn)定的熱物理性能，熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性能滿足要求；潰散性好，澆注后容易從鑄件上清除。
[0003]對于鈦合金和鋯合金而言，由于合金熔體高的化學(xué)活性會與普通的型殼耐火材料發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的夾雜物除了會對澆注合金的表面質(zhì)量造成影響外，還會破壞柱狀晶或單晶的生長，以至于澆注過后得不到我們想要的定向凝固組織。以鈦合金中的TiAl合金為例，TiAl金屬間化合物具有高比強(qiáng)度、高彈性模量，優(yōu)良的抗蠕變、抗氧化、耐高溫和阻燃性能，密度低 不到鎳基合金的50%，被認(rèn)為是850~1000°C范圍內(nèi)最值得關(guān)注的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。然而這種合金在高溫下的力學(xué)性能有明顯的方向性，當(dāng)加載中與片層取向的夾角為0°時，合金的塑性和強(qiáng)度能達(dá)到良好的匹配。例如按照摩爾分?jǐn)?shù)制備的Τ?-46Α1-1.5Mo-0.2C合金，其具有定向凝固片層組織的鑄錠可以獲得在210MPa，750°C下，經(jīng)200 h，蠕變變形僅為0.15%、穩(wěn)態(tài)蠕變率接近KTltV1的優(yōu)異性能，如果能將普通鑄造TiAl合金葉片發(fā)展為定向或單晶葉片，將能大大提高壓氣機(jī)的性能水平。但是由于鈦合金熔體高的化學(xué)活性，會與普通的耐火材料發(fā)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，以至在TiAl合金定向凝固過程中得不到理想的定向凝固組織。因此目前還未見有關(guān)于TiAl合金定向凝固鑄件應(yīng)用的相關(guān)報道。
[0004]在BaO-ZrO2 二元系中，其復(fù)合型氧化物具有良好的熱物理性能。例如:BaZrO3是一個熔點高達(dá)2700°C的難熔化合物，熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可作為高溫固體電解質(zhì)、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和耐火材料，具有良好的抗熱震性，立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，密度為5.562g/cm3價格便宜。目前，國內(nèi)外對BaZrO3作為耐火材料的研究已鋪展開來,作為耐火材料已在某些熔煉中用作反應(yīng)容器的原材料，例如，有研究報道，它是目前在熔煉高質(zhì)量的單晶體釔鋇銅氧超導(dǎo)材料中最穩(wěn)定的坩堝材料，這種新型的耐火材料在用于釔鋇銅氧超導(dǎo)材料時具有以下優(yōu)點:熔煉后的單晶體中未含有來自坩堝的雜質(zhì)元素，同時因坩堝侵蝕所帶來的變化不再影響熔融的合金組成，這樣可以克服坩堝材料與合金熔體反應(yīng)而生成的生成物。且有報道稱已將BaZrO3成功的應(yīng)用于Ti6A14V以及化學(xué)活性稍低的TiN1、TiFe合金的熔煉，但還未見其應(yīng)用于定向凝固工藝中。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種高活性合金定向凝固用型殼，用ZrO2-BaO復(fù)合型氧化物作為型殼的面層材料的主要組分，采用本發(fā)明型殼能顯著降低高活性合金在定向凝固過程中與型殼材料的界面反應(yīng)程度，獲得更理想的定向凝固組織，即柱狀晶或單晶組織，適合在高活性合金定向凝固工藝或單晶制備過程中應(yīng)用。
為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種高活性合金定向凝固用型殼，型殼面層由型殼面層漿料和型殼面層撒砂材料固化結(jié)合成型，所述型殼面層漿料的混合組分主要包括配制漿料用粉體、粘結(jié)劑和輔助添加劑，其中輔助添加劑表面活性劑和消泡劑，所述型殼面層撒砂的骨料為粉體材料，所述型殼面層漿料中的配制漿料用粉體和型殼面層撒砂材料的骨料用粉體皆為BaO-ZrO2復(fù)合型氧化物耐火材料，按照組分質(zhì)量百分比，所述BaO-ZrO2復(fù)合型氧化物耐火材料主要成分為40-55wt% 的 Ba0、45-60wt% 的 ZrO2，其他雜質(zhì)含量〈3%。
[0006]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，按照組分質(zhì)量百分比，所述型殼面層漿料配方為:配制漿料用粉體為65-95%，粘結(jié)劑為5-35%，輔助添加劑的用量按實際配制的漿料用量添加，其中表面活性劑為0-0.5wt%,消泡劑為0-0.5wt%,即:漿料總質(zhì)量為100g，則表面活性劑應(yīng)添加加0-0.5g，消泡劑應(yīng)添加0-0.5g。
[0007]作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，型殼面層漿料中的配制漿料用粉體的平均粒徑為10-40um，型殼面層撒砂用的骨料用粉體的平均粒徑為160-200um。
[0008]上述配制面層漿料的粘結(jié)劑優(yōu)選采用釔溶膠或鋯溶膠。
[0009]上述配制面層漿料所用的表面活性劑優(yōu)選采用硬脂酸或JFC，配制面層漿料所用的消泡劑優(yōu)選采用聚二甲基硅氧烷或正丁醇。
[0010]上述高活性合金定向凝固用型殼應(yīng)用于鈦合金熔體或鋯合金熔體的定向凝固工藝。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明高活性合金定向凝固用型殼在定向凝固工藝中使用，與普通精密鑄造型殼相比，能經(jīng)受更加惡劣的環(huán)境，型殼強(qiáng)度高，高溫穩(wěn)定性好；
2.對于高溫下具有較高化學(xué)活性的鈦合金、鋯合金而言，本發(fā)明高活性合金定向凝固用型殼具備很高的化學(xué)穩(wěn)定性，能有效防止在定向凝固過程中型殼材料與合金熔體反應(yīng)，保護(hù)定向凝固組織的形成過程；
3.本發(fā)明高活性合金定向凝固用型殼與石墨、CaO,Zr02、Al2O3等普通型殼相比，可以降低高活性合金在定向凝固過程中與型殼材料的界面反應(yīng)程度，獲得更理想的定向凝固組織，即制備柱狀晶或單晶組織，適合在高活性合金定向凝固式樣或單晶式樣制備過程中的應(yīng)用。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
在本實施例中，以鈦合金中的TiAl合金的定向凝固為實例，在本實施例的前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方案和具體步驟過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于本實施例。
[0013]本實施例高活性合金定向凝固用型殼面層由型殼面層漿料和型殼面層撒砂材料固化結(jié)合成型，型殼面層漿料的組分主要包括配制漿料用粉體、粘結(jié)劑和輔助添加劑，輔助添加劑包括表面活性劑和消泡劑，型殼面層撒砂的骨料為粉體材料，型殼面層漿料中的配制漿料用粉體和型殼面層撒砂材料的骨料用粉體皆為BaO-ZrO2復(fù)合型氧化物耐火材料。
[0014]本實施例通過以下步驟實現(xiàn)型殼在TiAl合金定向凝固工藝中的應(yīng)用。
[0015]一)定向凝固用型殼的制備
1.型殼面層漿料的配制:將IOL釔溶膠倒入漿料桶中，啟動按鈕對漿料桶進(jìn)行攪拌；向漿料桶中加入5g表面活性劑硬脂酸；將經(jīng)過預(yù)處理的上述配制漿料用粉體過325目篩，分篩得到粉料35kg ;將粉料緩緩加入漿料桶中進(jìn)行攪拌；粉料加入完畢后再向漿料桶中加入5g消泡劑正丁醇。攪拌24h后控制粘度在27-52S之間，所用粘度杯為用LND-3便攜式銅質(zhì)粘度杯。[0016]2.型殼背層層漿料的配制:將IOL硅溶膠倒入漿料桶中，啟動按鈕對漿料桶進(jìn)行攪拌；將27kg工業(yè)級325目EC95電熔莫來石倒入漿料桶中進(jìn)行攪拌。攪拌24h后控制粘度在17-27S之間，所用粘度杯為用LND-3便攜式銅質(zhì)粘度杯。
[0017]3.型殼面層的制備:將中溫蠟壓制成型殼所需形狀，壓制后放入清洗液中清洗以去除油污，隨后用清水沖洗并晾干；蠟型在侵入面層涂料之前，先用粘度計測得漿料粘度，粘度在27-52s之間方可侵入；蠟型放入漿料中，轉(zhuǎn)動3-5s，再取出來對蠟型進(jìn)行控漿，待多余漿料流掉之后，用100-80目的EC95電熔莫來石進(jìn)行表面撒砂，撒砂均勻、全面則形成型
殼面層。
[0018]4.型殼面層的干燥:將涂掛好的面層型殼至于恒溫室21° C進(jìn)行干燥，控制濕度范圍為65-75%，干燥時間為24h。
[0019]5.型殼背層的制備:型殼背層的制備與普通精密鑄造的步驟相同，漿料粘度控制在17-27s、濕度范圍為40-50%、干燥時間為12小時。
[0020]6.型殼的脫蠟:采用高壓蒸汽脫蠟，脫蠟溫度180° C，脫蠟壓力7.2MPa，脫蠟時間 IOmin。
[0021]7.型殼的焙燒:型殼的焙燒溫度為200° C保溫lh，1550° C保溫4小時，然后隨爐冷卻至室溫。
[0022]二)定向凝固實驗
在真空定向爐內(nèi)進(jìn)行定向凝固實驗，真空定向爐所采用的坩堝為同材質(zhì)的復(fù)合型氧化物坩堝。將稱量好的TiAl合金棒或錠放置在坩堝中，將所制型殼在水冷銅盤底座上固定好，關(guān)爐門。將爐堂抽真空至5 X l(T3Pa，再反充高純氬氣至0.05MPa,如此反復(fù)洗氣3_5次，最后定向凝固實驗是在0.05MPa高純氬氣保護(hù)下進(jìn)行的。對型殼進(jìn)行預(yù)熱，同時對坩堝內(nèi)的TiAl合金進(jìn)行感應(yīng)熔化，待坩堝內(nèi)的合金完全熔化，且型殼的預(yù)熱溫度達(dá)到1600° C時，進(jìn)行燒注；燒注完畢后合金熔體在型殼內(nèi)保溫IOmin,隨后以v=3mm/min進(jìn)行定向凝固實驗。
[0023]本實施例的有益效果:
本實施例復(fù)合型氧化物耐火材料的粉體包括配制漿料用和面層撒砂用兩種，復(fù)合型氧化物耐火材料的粉體均經(jīng)過物理或化學(xué)方法的特殊預(yù)處理，本實施例型殼面層漿料中要使用到的粘結(jié)劑與鈦合金、鋯合金熔體不反應(yīng)，具有良好的穩(wěn)定性，采用本實施例粉體為面層材料制備的定向凝固型殼，定向凝固后與TiAl合金的界面反應(yīng)微弱，可得到具有定向凝固組織的TiAl合金。與普通石墨、CaO、ZrO2或Al2O3等型殼相比，本實施例復(fù)合材料型殼可以降低高活性TiAl合金在定向凝固過程中與型殼材料的界面反應(yīng)程度，獲得更理想的柱狀晶或單晶的定向凝固組織。適合在TiAl合金定向凝固式樣或單晶式樣制備過程中的應(yīng)用。
上面對本發(fā)明實施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種 變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明高活性合金定向凝固用型殼及其應(yīng)用的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高活性合金定向凝固用型殼，其特征在于，型殼面層由型殼面層漿料和型殼面層撒砂材料固化結(jié)合成型，所述型殼面層漿料的混合組分主要包括配制漿料用粉體、粘結(jié)劑和輔助添加劑，其中輔助添加劑表面活性劑和消泡劑，所述型殼面層撒砂的骨料為粉體材料，所述型殼面層漿料中的配制漿料用粉體和型殼面層撒砂材料的骨料用粉體皆為BaO-ZrO2復(fù)合型氧化物耐火材料，按照組分質(zhì)量百分比，所述BaO-ZrO2復(fù)合型氧化物耐火材料主要成分為40-55wt%的Ba0、45-60wt%的ZrO2，其他雜質(zhì)含量〈3%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高活性合金定向凝固用型殼，其特征在于:按照組分質(zhì)量百分t匕，所述型殼面層漿料配方為:配制漿料用粉體為65-95%，粘結(jié)劑為5-35%，輔助添加劑的用量按實際配制的漿料用量添加，其中表面活性劑為0-0.5wt%，消泡劑為0-0.5wt%,即:漿料總質(zhì)量為100g，則表面活性劑應(yīng)添加加0-0.5g，消泡劑應(yīng)添加0-0.5g。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述高活性合金定向凝固用型殼，其特征在于:型殼面層漿料中的配制漿料用粉體的平均粒徑為10-40um，型殼面層撒砂用的骨料用粉體的平均粒徑為160_200um。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任意一項所述高活性合金定向凝固用型殼，其特征在于:配制面層漿料的粘結(jié)劑為釔溶膠或鋯溶膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任意一項所述高活性合金定向凝固用型殼，其特征在于:配制面層漿料所用的表面活性劑為硬脂酸或JFC，配制面層漿料所用的消泡劑為聚二甲基硅氧烷或正丁醇。
6.一種權(quán)利要求1所述高活性合金定向凝固用型殼的應(yīng)用，其特征在于:應(yīng)用于鈦合金熔體或鋯合金熔體的定向凝固工藝。
【文檔編號】C30B11/00GK103898610SQ201410123343
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】李重河, 賀進(jìn), 魯雄剛, 胡仁民, 林崇茂, 吳廣興, 張捷宇, 汪宏斌 申請人:上海大學(xué)