鑄造用氧化釔型殼的制備方法與流程

本發明涉及一種精密鑄造用型殼及其制備方法，具體涉及一種用于鈦合金精密鑄造的氧化釔型殼及其制備方法，屬于熔模精密鑄造型殼制備技術領域。

背景技術：

鈦及其合金具有一系列優異特性，如高的比強度、高的耐熱性、優良的耐蝕性和形狀記憶、儲氫、可焊、超導、無磁等，是優質輕型金屬結構材料和重要的功能材料，被譽為“崛起的第三金屬”。

精密鑄造是鈦合金零件的先進制造技術，屬近凈成形技術，具有尺寸精度高、表面質量好、加工余量少或無余量加工、生產效率高等優點，可以大幅度提高鈦合金的利用率，降低生產成本。又由于熱等靜壓技術的廣泛應用，使得某些鑄造缺陷得以消除，從而明顯改善鈦合金鑄件的力學性能及其穩定性，促進了鈦合金鑄件在宇航工業中的應用。

鈦合金為最難于精密鑄造的工業金屬，這是因為鈦的熔點高、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。

鈦合金精密鑄造技術中型殼的制備是整個過程中的關鍵工藝，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。

鈦合金精密鑄造普遍采用氧化物陶瓷型殼工藝，面層耐火材料用難熔金屬氧化物，粘結劑用難熔金屬氧化物膠體或金屬有機化合物。這個工藝的關鍵在于面層惰性氧化物的選擇以及型殼面層的制備。目前大多采用氧化鋯或氧化釔為耐火材料，醋酸鋯、釔溶膠為粘結劑制備型殼材料。

采用釔溶膠、醋酸鋯作為粘結劑時，具有良好的粘結性，在大氣下干燥，分子聚合度增加，逐漸膠凝固化。膠凝后的醋酸鋯加熱將逐漸脫水分解，高溫煅燒后，生成ZrO₂，其在高溫下也難以與高活性金屬或合金（如鈦，鈦合金等）發生反應，具有很大的應用前景。

但醋酸鋯具有水溶性質，其在制殼、蒸汽脫蠟過程中會出現遇水回溶的現象，易造成型殼面層起皮、脫落、開裂、掉粉等，嚴重影響鈦合金鑄件表面質量，因此對醋酸鋯粘結劑不能采用蒸汽脫蠟，型殼脫蠟一般采用專用脫蠟設備和工藝，如閃燒爐脫蠟、紅外脫蠟釜、溶劑脫蠟工藝等，但是閃燒爐脫蠟、紅外脫蠟釜存在脫蠟過程慢的問題，導致型殼易膨脹，嚴重的甚至導致型殼開裂，影響精鑄件的質量。溶劑脫蠟工藝多采用氯化物等有害化學制品，對人體存在傷害。這些脫蠟工藝給生產過程帶來了諸多不便。而碳酸鋯銨粘結劑可以克服醋酸鋯粘結劑的這些缺點，這是因為碳酸鋯銨為堿性粘結劑，干燥后遇水不會產生回溶。

氧化釔面層型殼導熱性低、強度高，在高溫下不易與Nb、Ti、Si、Hf等元素反應，這是其可作為耐高溫型殼材料的保證。可澆注冶金質量良好的大型薄壁鈦合金精密鑄件。但該制殼工藝控制難度較大，原材料價格較氧化鋯偏高。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決釔溶膠、醋酸鋯粘結劑制備的氧化釔型殼不能蒸汽脫蠟的技術難題，提出了一種新型氧化釔型殼及其制備方法，可有效改善氧化釔型殼不能蒸汽脫蠟的缺點，解決了現有的型殼制備、脫蠟過程中存在的材料遇水回溶以及型殼透氣性差的缺點。該型殼能夠用于鈦合金熔模精密鑄造，具有制備工藝簡單，制備的型殼性能優良、成本低廉等優點。

本發明是通過以下技術方案實現的：一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

(1) 面層涂料的制備：將氧化釔耐火粉與碳酸鋯銨粘結劑混合并攪拌12~48h，涂料粘度控制在20~60s，制得面層涂料；

(2) 過渡層涂料的制備：將氧化釔耐火粉與碳酸鋯銨粘結劑混合并攪拌6~24h，涂料粘度控制在15~50s，制得過渡層涂料；

(3) 背層涂料的制備：將莫來石耐火粉與硅溶膠粘結劑混合并攪拌6~12h，涂料粘度控制在30~80s，制得背層涂料；

(4) 型殼的制備：將組樹后蠟模清洗干凈后浸入步驟（1）制備的面層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥6~24h；重復制備面層型殼1~2次；將制備好面層型殼后的蠟模浸入步驟（2）制備的過渡層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8~16h；將制備好過渡層型殼后的蠟模浸入步驟（3）制備的背層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒莫來石耐火砂，干燥4~12h，重復制備背層型殼3~6次；最后一層為封漿層，涂掛背層涂料后不撒砂干燥48h；

(5) 型殼的脫蠟：將步驟（4）所得型殼放入脫蠟釜中進行蒸汽脫蠟；

(6) 型殼的焙燒：將步驟（5）所得脫蠟完畢后的型殼進行焙燒，焙燒后冷卻至室溫，即得鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼。

進一步，所述步驟（1）中稱取耐火粉、粘結劑、潤濕劑和消泡劑，其中耐火粉的質量與粘結劑的體積比，即粉液比為2~5，潤濕劑的體積為粘結劑體積的0.05%~0.5%，消泡劑的體積為粘結劑體積的0.1%~0.6%。

進一步，所述耐火粉為電熔氧化釔經過破碎篩分后所得小于325目的氧化釔粉末，粘結劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌3h~8h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續攪拌12h~48h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的面層涂料。

優選的，步驟（1）中制備面層涂料的工作環境溫度控制在15~30℃，相對濕度控制在40~80%，面層涂料濕度控制在10~25℃，面層涂料控制流杯粘度為20s~60s。

優選的，步驟（2）中制備過渡層涂料的工作環境溫度控制在15~30℃，相對濕度控制在40~80%，面層涂料濕度控制在10~25℃，面層涂料控制流杯粘度為15s~50s。

優選的，步驟（3）中制備背層涂料的工作環境溫度控制在15~30℃，相對濕度控制在40~80%，背層涂料濕度控制在10~25℃，背層涂料控制流杯粘度為30s~80s。

優選的，步驟（4）中型殼在溫度為20~25℃，相對濕度為40~70%的條件下干燥。

優選的，步驟（5）所述型殼的蒸汽脫蠟壓力為0.3~0.7Mpa，脫蠟時間為3~30min。

優選的，步驟（6）所述型殼的焙燒，升溫到200~400℃保溫0.5~2h，繼續升溫至800~1200℃保溫1~3h。

優選的，步驟（4）所述型殼的制備，采用多層次的掛漿、干燥、撒砂是為了獲得具有多層次結構的預成型型殼。面層型殼的作用是能精確地復制蠟模的表面形狀，形成致密、光滑的型腔表面，以保證最后獲得表面光滑、棱角清晰的鑄件；背層型殼的作用是加厚、加固型殼，使型殼具有良好的強度、抗熱震性等力學性能。

本發明的有益效果是：

1.所制氧化釔型殼服役溫度為1500~2000℃，能夠用于高活性金屬鈦合金的精密 鑄造。

2.氧化釔型殼的制備方法解決了現有的型殼制備、脫蠟過程中存在的材料遇水回溶以及型殼透氣性差的缺點。脫蠟設備簡單，操作簡便。采用蒸汽脫蠟，對環境無污染，且制備的型殼對人體健康無影響。

3.采用碳酸鋯銨為粘結劑，可降低型殼生產成本、提高型殼的穩定性、降低所熔煉合金液與型殼的反應程度，并提高尺寸穩定性及高溫強度，最終制得表面光潔且性能優異的鑄件。

4.氧化釔穩定的化學性質，便于面層涂料的配制和保存。所制氧化釔面層涂料懸浮率高，涂覆性好，密度、粘度適中易控制，面層涂料能夠均勻涂掛到蠟模上，致密性好，同時粘結劑中含氧化鋯耐火成分，更能保證面層型殼的耐高溫性能。適合鑄件的批量化生產。另外，用本方法制成的面層漿料和加固層漿料性能穩定，涂掛性能優良，化學惰性好，型殼強度高，澆鑄過程未出現變形、跑火現象。這種抗界面反應的氧化釔陶瓷型殼可以制造航空航天的大尺寸復雜薄壁鈦合金精密鑄件。

5.所用面層涂料制備的型殼內表面光潔度高，焙燒后的型殼表面光滑，面層無任何開裂現象，完全清晰地復制了鑄件蠟模的形狀。并且透氣性、退讓性較好，因而使得澆鑄后的鈦合金鑄件表面光滑無污染，粗糙度較低。

6.所制氧化釔型殼經過大溫度梯度鈦合金澆注后不開裂，能夠滿足抗熱震性能的要求。型殼具有耐高溫、抗熱震穩定性好、高化學穩定性的特點，制備出的鈦合金鑄件尺寸精度高，表面污染層極薄。

附圖說明

圖1是本發明的一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法流程圖；

圖2是本發明方法制備的一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的說明。

一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

（1）面層涂料的制備：稱取耐火粉、粘結劑、潤濕劑和消泡劑，其中耐火粉的質量與粘結劑的體積比（粉液比）為2~5，潤濕劑的體積為粘結劑體積的0.05%~0.5%，消泡劑的體積為粘結劑體積的0.1%~0.6%。耐火粉為電熔氧化釔經過破碎篩分后所得小于325目的氧化釔粉末，粘結劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌3h~8h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續攪拌12h~48h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的面層涂料。

（2）過渡層涂料的制備：稱取耐火粉和粘結劑、潤濕劑和消泡劑，其中耐火粉的質量與粘結劑的體積比（粉液比）為2~4，潤濕劑的體積為粘結劑體積的0.05%~0.5%，消泡劑的體積為粘結劑體積的0.1%~0.6%。耐火粉為電熔氧化釔經過破碎篩分后所得小于325目的氧化釔粉末，粘結劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌2h~5h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續攪拌6h~24h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的過渡層涂料。

（3）背層涂料的制備：稱取耐火粉、粘結劑，其中耐火粉的質量與粘結劑的體積比（粉液比）為3~6。耐火粉為200目的莫來石粉，粘結劑為硅溶膠。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌6~12h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的背層涂料。

（4） 型殼的制備：制備面層型殼：將組樹后蠟模清洗干凈后浸入步驟（1）制備的面層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8~16h。所用氧化釔砂為100~200目，重復制備面層型殼1~2次。制備過渡層型殼：將制備好面層型殼后的蠟模浸入步驟（2）制備的過渡層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8~16h。所用氧化釔砂為50~100目。制備背層型殼：將制備好面層型殼后的蠟模浸入步驟（3）制備的背層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒莫來石耐火砂，干燥4~12h。所用莫來石砂為20~50目，重復制備背層型殼3~6次。最后一層為封漿層，涂掛背層涂料后不撒砂干燥48h。

（5）型殼的脫蠟：將步驟（4）所得的型殼放入脫蠟釜中進行蒸汽脫蠟。

（6）型殼的焙燒：將步驟（5）所得脫蠟完畢后的型殼進行焙燒，焙燒后冷卻至室溫，即得鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼。

實施例1：

一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

（1）面層涂料的制備：稱取3Kg的耐火粉，量取1L的粘結劑、1mL的潤濕劑和2mL消泡劑。耐火粉為小于325目的電熔氧化釔，粘結劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌8h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續攪拌16h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的面層涂料。面層涂料制備的工作環境溫度控制在20℃，相對濕度控制在50%，面層涂料溫度控制在15℃，面層涂料控制流杯粘度為20s。

（2）過渡層涂料的制備：稱取2.5Kg的耐火粉，量取1L的粘結劑、1mL的潤濕劑和2mL消泡劑。耐火粉為小于325目的電熔氧化釔，粘結劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌3h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續攪拌6h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的過渡層涂料。過渡層涂料制備的工作環境溫度控制在20℃，相對濕度控制在50%，過渡層涂料溫度控制在15℃，過渡層涂料控制流杯粘度為16s。

（3）背層涂料的制備：稱取40Kg的耐火粉，量取10L的粘結劑。耐火粉為200目的莫來石粉，粘結劑為硅溶膠。將稱取好的耐火粉加入到粘結劑中攪拌6h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的背層涂料。背層涂料制備的工作環境溫度控制在20℃，相對濕度控制在50%，背層涂料濕度控制在15℃，背層涂料控制流杯粘度為30s。

（4）型殼的制備：制備面層型殼：將組樹后的蠟模清洗干凈后浸入步驟（1）制備的面層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥12h。所用氧化釔砂為100~200目，重復制備面層型殼2次。如圖1所示為涂掛面層涂料后的蠟模。過渡層型殼：將制備好面層型殼后的蠟模浸入步驟（2）制備的過渡層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待流動靜止后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8h。所用氧化釔砂為50~100目。制備背層型殼：將制備好面層型殼后的蠟模浸入步驟（3）制備的背層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待流動靜止后，均勻撒莫來石耐火砂，干燥4h。所用莫來石砂為20~50目，重復制備背層型殼5次。如圖2所示為制備背層后正在干燥的型殼。最后一層為封漿層，涂掛背層涂料后不撒砂干燥48h。

（5）型殼的脫蠟：將步驟（4）所得的型殼放入脫蠟釜中進行蒸汽脫蠟。脫蠟壓力為0.4Mpa，脫蠟時間為5min。

（6）型殼的焙燒：將步驟（5）所得脫蠟完畢后的型殼進行焙燒，焙燒后隨爐冷卻至室溫即可制得碳酸鋯銨粘結氧化釔型殼。焙燒爐先升溫到300℃保溫1h，繼續升溫至1000℃保溫2h。即得鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼。

本發明的鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法采用碳酸鋯銨為粘結劑，具有很好的抗水性，因此不會出現遇水回溶的情況，選擇的脫蠟方法為蒸汽脫蠟，對環境無污染，所制氧化釔面層涂料涂覆性好，能夠均勻涂掛到蠟模上，致密性好。制備的型殼內表面光潔度高，且完全清晰地復制了鑄件蠟模的形狀。制備的面層型殼在航空航天領域具有廣泛的應用前景，澆鑄的TA15鈦合金薄壁鑄件界面反應層很小，僅為~0.03mm，鑄件精度高，性能優異，便于后期精整。

上述通過具體的實施例對本發明的技術方案作了進一步描述，但本發明并不限于這些實施例，該領域的技術熟練人員可以根據上述內容對本發明作出一些非本質的改進和調整，都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。