專利名稱：一種熔模鑄造γ－TiAl基合金模殼的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密鑄造的技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法。
背景技術(shù)：
γ-TiAl合金由于其低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量及其良好的高溫性能而有望成為新一代航空航天和汽車領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)材料。但影響TiAl元件廣泛應(yīng)用的最大障礙是其室溫脆性和難加工性。熔模鑄造作為一種可生產(chǎn)形狀復(fù)雜、近凈形結(jié)構(gòu)件的技術(shù)是解決上述問題的有效方法。然而，熔融狀態(tài)的TiAl具有較高的活性，幾乎與所有的耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低TiAl鑄件的表面質(zhì)量，因此，選擇合適的制模材料來精鑄TiAl具有十分重要的意義。
在鈦合金熔模鑄造中，典型的工藝有三種石墨熔模型殼應(yīng)用較早，采用的耐火材料是石墨，粘結(jié)劑也是碳質(zhì)的，通常是樹脂或膠體石墨。經(jīng)前蘇聯(lián)改進(jìn)的石墨型殼可預(yù)熱到700℃左右，具有較高的強(qiáng)度，且改善了型殼內(nèi)表面對(duì)鈦液的潤(rùn)濕性；但這種型殼澆出的鈦合金鑄件表面存在較厚的α脆性層。第二種是鎢面層陶瓷型殼，該工藝的特點(diǎn)是采用金屬有機(jī)化合物，鋯、鉿的鹵化物或膠體金屬氧化物作粘結(jié)劑，以金屬鎢粉作面層耐火材料。采用此種工藝，鑄件表面粗糙度低，內(nèi)部質(zhì)量高，缺點(diǎn)是金屬面層導(dǎo)熱性高，鑄件易出現(xiàn)冷隔缺陷；另外原材料價(jià)格昂貴。氧化物陶瓷型殼是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的一種先進(jìn)工藝，面層耐火材料為ThO2、ZrO2或Y2O3等難熔金屬氧化物，粘結(jié)劑用難熔金屬氧化物膠體或金屬有機(jī)化合物。此類型殼具有較高的常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，有較小的收縮率，能保證所澆的鑄件具有較高的尺寸精度和低的表面粗糙度，是一種很有前途的型殼。然而申請(qǐng)人對(duì)ZrO2或Y2O3作為澆注γ-TiAl合金的耐火材料的研究表明，ZrO2陶瓷型殼由于其中的Zr元素與合金的Al元素的化學(xué)作用而影響鑄件表面的質(zhì)量。Y2O3陶瓷型殼可以澆注出質(zhì)量?jī)?yōu)良的鈦鋁鑄件，但考慮到其價(jià)格的昂貴，Y2O3只能用于作為模殼的面層材料。因此，尋找一種價(jià)格價(jià)格便宜，又能滿γ-TiAl合金鑄件的耐火材料具有重要的實(shí)際意義。
Al2O3作為一種良好的耐火材料在熔化和精鑄高溫合金中得到廣泛的應(yīng)用，但在高活性的鈦合金中很少應(yīng)用。雖然高鋁含量的γ-TiAl化合物的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈦合金熔融液的活性，依然有很少的工作者來研究Al2O3作為熔煉或精鑄γ-TiAl的材料。
文獻(xiàn)1J.P.Kuang，里查德·A·哈丁，約翰·坎貝爾，材料科學(xué)與技術(shù).(J.P.Kuang，R.A.Harding and J.Campbell，mater.Sci.and Tec.2000(16)，9，1007.)，Kuang等人用Al2O3坩堝熔煉γ-TiAl合金時(shí)，γ-TiAl合金中含有少量夾雜物，并且在反應(yīng)界面上存在嚴(yán)重的裂紋，這表明γ-TiAl與Al2O3坩堝之間存在著嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)。文獻(xiàn)2王家芳，王健農(nóng)，楊杰，特種鑄造及有色合金，2002，5，40.，王家芳等人的研究表明在用Al2O3模殼精鑄γ-TiAl時(shí)，在鑄件表面存在約200μm反應(yīng)層和500μm左右的硬化層。
制備陶瓷坩堝或陶瓷模殼除耐火材料外，還有一種重要的因素——粘結(jié)劑。上述研究使用傳統(tǒng)的硅溶膠或硅酸乙酯粘結(jié)劑，而SiO2的化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合金中各元素氧化物(TiO2和Al2O3)的穩(wěn)定性，因此會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，從而降低模殼的化學(xué)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)3金明均，金泰晾，金世光，洪泰煥，金永稷，韓國(guó)金屬材料研究.2001，40，429.(M.G.Kim，T.K.Kim，T.w.Hong，S.K.Kim andY.J.Kim，J.Kor.Inst.Met.& Mater.2001，40，429.)，Kim等人認(rèn)為只要選擇合適的粘結(jié)劑，就會(huì)大大降低Al2O3和Ti合金之間的反應(yīng)程度，而粘結(jié)劑技術(shù)又是國(guó)內(nèi)外商家和研究工作者絕守的秘密，本實(shí)驗(yàn)采用一種過渡金屬氧化物溶膠，以Al2O3作為耐火材料來制備模殼，精鑄γ-TiAl合金，考察鑄件與模殼之間的界面反應(yīng)，以期得到一種熔煉或精鑄γ-TiAl合金的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成本低廉的熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，該方法可以滿足精鑄γ-TiAl結(jié)構(gòu)件的需求。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于步驟如下1)將粒度為200～400目的剛玉粉與有機(jī)溶膠按重量比為3.0∶1～4.0∶1配制成流杯粘度為10～40秒的料漿；2)將上述料漿涂掛在蠟?zāi)Ｉ?，撒粒度?00～16目的剛玉砂，干燥；如此反復(fù)7～8次，最后一層涂掛料漿，干燥；3)脫蠟，燒結(jié)。
步驟1)所述料漿制備過程中添加活性劑、消泡劑，其中活性劑占料漿的重量百分含量為1～5‰，消泡劑占料漿的重量百分含量為1～3‰，在攪拌狀態(tài)下將剛玉粉與活性劑加入到有機(jī)溶膠中，再加入消泡劑，攪拌5小時(shí)以上，然后放置4～12個(gè)小時(shí)。
步驟2)所述的蠟?zāi)＝M浸入流杯粘度為30～40秒的料漿中3～6秒，撒粒度為100～65目剛玉砂，室溫下干燥10～15小時(shí)，重復(fù)上述操作第2層，形成面層；然后涂掛第3～7層料漿，料漿流杯粘度為10～30秒，每層涂掛后撒粒度為45～16目的剛玉砂，室溫下干燥20～30小時(shí)，形成加固層；最后一層涂掛流杯粘度為10～30秒的料漿，室溫下干燥時(shí)間40～60小時(shí)。
加固層料漿為所述剛玉粉與硅溶膠按3.0∶1～4.0∶1配制而成。
最后一層料漿為所述剛玉粉與硅溶膠按3.0∶1～4.0∶1配制而成。
所述剛玉粉為澆結(jié)態(tài)或融熔態(tài)。
所述粘結(jié)劑為過渡元素氧化物的有機(jī)溶膠、Ti、Zr、Th過渡元素的有機(jī)金屬化合物的有機(jī)溶膠或稀土元素(主要是Y或La系元素)的有機(jī)溶膠，流杯粘度為10～30秒。
步驟3)脫臘后形成的模殼在室溫放置4～10小時(shí)后再進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在600～1000℃，保溫1～4小時(shí)后，冷卻至室溫。
本發(fā)明采用的消泡劑可以是醇類，如正辛醇、異辛醇等，還可以為乙二醇丁醚磷酸酯；常用的活性劑可以為JFC(聚氧乙烯烷基醇醚)、環(huán)氧化合物(如聚氧乙烯烷基醇醚)或聚乙二醇類活性劑等。
本發(fā)明所述干燥方法可以為在通風(fēng)廚中干燥或在干燥箱中干燥。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明是基于金屬溶液與Al2O3在高溫下可以達(dá)到某種平衡，抑制金屬與模殼之間的相互擴(kuò)散的一種方法。在澆注狀態(tài)下，金屬熔液的Al元素與Al2O3中的Al元素可以達(dá)到某種擴(kuò)散平衡，模殼的穩(wěn)定性主要取決于模殼中的氧元素在金屬溶液中的溶解度。由于Al含量的影響，γ-TiAl與鈦合金相比，溶解氧的能力大為降低，因此，Al2O3模殼與γ-TiAl鑄件之間的反應(yīng)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于與鈦合金的反應(yīng)程度。文獻(xiàn)4J.P.Kuang，里查德·A·哈丁，約翰·坎貝爾，鑄造金屬研究.(J.P.Kuang，R.A.Harding and J.Campbell，Int.J.Cast Metals Res.，2001，13，277.)表明，在1550℃，當(dāng)Al2O3與γ-TiAl熔融液接觸18、30至到60分鐘時(shí)，金屬一側(cè)依然是α2/γ片層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是1.本發(fā)明可以充分發(fā)揮剛玉粉(Al2O3)物產(chǎn)豐富、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，并采用一種合適的粘結(jié)劑(有機(jī)溶膠)，適合于澆注γ-TiAl基合金，達(dá)到精鑄γ-TiAl結(jié)構(gòu)件的要求。
2.本發(fā)明采用的耐火材料可以是電熔剛玉α-Al2O3，電熔剛玉熔點(diǎn)高，結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種優(yōu)良的精鑄用耐火材料。
3.本發(fā)明采用的粘結(jié)劑是一種過渡金屬氧化物的有機(jī)溶膠，該溶膠性質(zhì)穩(wěn)定，可放置幾個(gè)月到幾年性能不變，用流杯粘度計(jì)測(cè)定其流杯粘度為10～30秒，該溶膠在適當(dāng)?shù)臈l件下會(huì)發(fā)生水解-縮合反應(yīng)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將耐火材料顆粒粘結(jié)在一起，形成一定的強(qiáng)度。
4.本發(fā)明用于制備精鑄鈦鋁化合物所用模殼時(shí)，在攪拌狀態(tài)下將粉料與活性劑加入到粘結(jié)劑中，再加入少量的消泡劑，充分?jǐn)嚢瑁詈迷?個(gè)小時(shí)以上，然后放置4～12個(gè)小時(shí)，利于料漿回性；充分回性的料漿，涂掛性與流動(dòng)性均好，硬化時(shí)膠凝收縮小，型殼強(qiáng)度高。
5.本發(fā)明中的活性劑具有良好的潤(rùn)濕與滲透能力，泡沫少且易于消泡，不影響料漿的穩(wěn)定性，無毒、價(jià)廉。
6.本發(fā)明中的面層料漿粉液比控制在3.0∶1至4.0∶1之間變化，主要取決于所需鑄件表面粗糙度的要求；加固層可采用硅溶膠與剛玉粉配制的料漿，加固層料漿粘度依次降低，以利于涂漿能滲入到上一層涂料的撒砂間隙中并能良好的潤(rùn)濕，以排除砂粒間隙中的空氣，使各層之間形成均勻連續(xù)而又緊密鑲嵌的整體，防止形成孔洞、裂隙和分層，可以保證型殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
7.本發(fā)明方法制備模殼時(shí)，撒砂用剛玉砂粒從里到外逐漸加粗，1～2層撒較細(xì)的砂子，如100～65目，加固層通常撒較粗的砂子，如45～16目。為了避免分層，所選用砂子的粒度與料漿的粘度要適宜，既不會(huì)影響型殼表面質(zhì)量，也有利于形成比較粗糙的背面，從而有利于同加固層涂料牢固地結(jié)合。
8.本發(fā)明可以用水蒸汽進(jìn)行脫蠟，方便無毒性。


圖1是采用本發(fā)明得到的γ-TiAl鑄件表面金相組織。
圖2是采用本發(fā)明得到的γ-TiAl鑄件表面硬度變化情況圖。
圖3是電子探針分析模殼各元素在γ-TiAl鑄件表面的分布情況圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1剛玉粉與(氧化鋯溶膠)重量比為3.5∶1，活性劑(聚氧乙烯烷基醇醚，又稱JFC)的重量百分含量為5‰，消泡劑GP(乙二醇丁醚磷酸酯)的重量百分含量為3‰，在攪拌狀態(tài)下將剛玉粉與活性劑加入到有機(jī)溶膠中，再加入消泡劑，充分?jǐn)嚢?小時(shí)，然后放置4小時(shí)，配制料漿1000ml，所得料漿流杯粘度為40秒。將清洗好的蠟?zāi)＝M浸入料漿中5秒后取出，取出控凈多余的料漿，撒100～65目剛玉砂，干燥后重復(fù)上述操作第二層，每層室溫下干燥12小時(shí)，形成面層；涂掛第3～7層料漿，料漿流杯粘度為20秒，每層涂掛后撒粒度為45～24目的剛玉砂，每層室溫下干燥24小時(shí)，形成加固層，加固層料漿用剛玉粉與硅溶膠按重量比3.5∶1配制而成；最后一層只涂掛加固層所采用的料漿，室溫下干燥時(shí)間48小時(shí)，具體工藝參數(shù)如表1。充分干燥后的蠟?zāi)Ｓ盟羝撓?，脫好蠟的模殼在室溫放?小時(shí)后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為900℃，保溫2小時(shí)冷卻至室溫，所得模殼內(nèi)表面光潔，強(qiáng)度高。
表1

將上述方法制備的模殼進(jìn)行Ti-46Al合金的精密鑄造試驗(yàn)。將模殼放入砂箱調(diào)正固定好，在馬弗爐中預(yù)熱至950℃保溫2小時(shí)。用水冷銅坩堝感應(yīng)爐熔煉γ-TiAl合金，離心鑄造γ-TiAl合金結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件表面光潔、無粘砂現(xiàn)象。
結(jié)果分析由圖1可見，在鑄件表面平整，沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的反應(yīng)層或反應(yīng)產(chǎn)物。
由圖2可知，鑄件表面硬度稍有增加，這主要是由于鑄件在冷卻過程中，表面的冷卻速度較快所致。
由圖3，EPMA結(jié)果表明，在鑄件表面，并沒有Al元素的富集現(xiàn)象；氧元素在鑄件表面具有較低的含量，而粘結(jié)劑中的過渡金屬元素在鑄件表面的含量更低，不足以引起鑄件表面質(zhì)量的變化。
比較例按實(shí)施例1方法制備的模殼進(jìn)行Ti合金的精密鑄造試驗(yàn)。將模殼放入砂箱調(diào)正固定好，在馬弗爐中預(yù)熱至950℃保溫2小時(shí)。用水冷銅坩堝感應(yīng)爐熔煉γ-TiAl合金，離心鑄造純鈦的拉伸試棒，以與實(shí)施例2進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)件表面粗糙、粘砂嚴(yán)重，表明此發(fā)明不能用于澆注鈦合金精密鑄件。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處是剛玉粉與(金屬釔的有機(jī)溶膠)重量比為3∶1，活性劑(十二醇環(huán)氧乙烷丙烷縮合物)的重量百分含量為3‰，消泡劑(異辛醇)的重量百分含量為2‰，在攪拌狀態(tài)下將剛玉粉與活性劑加入到有機(jī)溶膠中，再加入消泡劑，充分?jǐn)嚢?小時(shí)，然后放置8小時(shí)，配制料漿1000ml，所得料漿流杯粘度為35秒。將清洗好的蠟?zāi)＝M浸入料漿中4秒后取出，取出控凈多余的料漿，撒100～65目剛玉砂，干燥后重復(fù)上述操作第二層，每層室溫下干燥10小時(shí)，形成面層；涂掛第3～7層料漿，料漿流杯粘度為25秒，每層涂掛后撒粒度為45～24目的剛玉砂，每層室溫下干燥20小時(shí)，形成加固層，加固層料漿用剛玉粉與硅溶膠按重量比3∶1配制而成；最后一層涂掛加固層所采用的料漿，室溫下干燥時(shí)間40小時(shí)，具體工藝參數(shù)如表1。充分干燥后的蠟?zāi)Ｓ盟羝撓?，脫好蠟的模殼在室溫放?小時(shí)后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為600℃，保溫4小時(shí)冷卻至室溫，所得模殼內(nèi)表面光潔，強(qiáng)度高。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處是剛玉粉與(過渡金屬鈦的醇氧化物)重量比為4∶1，活性劑(聚異丙二醇醚)的重量百分含量為1‰，消泡劑(正辛醇)的重量百分含量為1‰，在攪拌狀態(tài)下將剛玉粉與活性劑加入到有機(jī)溶膠中，再加入消泡劑，充分?jǐn)嚢?小時(shí)，然后放置12小時(shí)，配制料漿1000ml，所得料漿流杯粘度為30秒。將清洗好的蠟?zāi)＝M浸入料漿中3秒后取出，取出控凈多余的料漿，撒100～65目剛玉砂，干燥后重復(fù)上述操作第二層，每層室溫下干燥15小時(shí)，形成面層；涂掛第3～7層料漿，料漿流杯粘度為15秒，每層涂掛后撒粒度為24～16目的剛玉砂，每層室溫下干燥30小時(shí)，形成加固層，加固層料漿用剛玉粉與硅溶膠按重量比4∶1配制而成；最后一層涂掛加固層所采用的料漿，室溫下干燥時(shí)間60小時(shí)，具體工藝參數(shù)如表1。充分干燥后的蠟?zāi)Ｓ盟羝撓?，脫好蠟的模殼在室溫放?0小時(shí)后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為750℃，保溫1小時(shí)冷卻至室溫，所得模殼內(nèi)表面光潔，強(qiáng)度高。
權(quán)利要求
1.一種熔模鑄γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于步驟如下1)將粒度為200～400目的剛玉粉與有機(jī)溶膠按重量比為3.0∶1～4.0∶1配制成流杯粘度為10～40秒的料漿；2)將上述料漿涂掛在蠟?zāi)Ｉ希隽６葹?00～16目的剛玉砂，干燥；如此反復(fù)7～8次，最后一層涂掛料漿，干燥；3)脫蠟，燒結(jié)。
2.按照權(quán)利要求1所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于步驟1)所述料漿制備過程中添加活性劑、消泡劑，其中活性劑占料漿的重量百分含量為1～5‰，消泡劑占料漿的重量百分含量為1～3‰，在攪拌狀態(tài)下將剛玉粉與活性劑加入到有機(jī)溶膠中，再加入消泡劑，攪拌5小時(shí)以上，然后放置4～12個(gè)小時(shí)。
3.按照權(quán)利要求1所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于步驟2)所述的蠟?zāi)＝M浸入流杯粘度為30～40秒的料漿中3～6秒，撒粒度為100～65目剛玉砂，室溫下干燥10～15小時(shí)，重復(fù)上述操作第2層，形成面層；然后涂掛第3～7層料漿，料漿流杯粘度為10～30秒，每層涂掛后撒粒度為45～16目的剛玉砂，室溫下干燥20～30小時(shí)，形成加固層；最后一層涂掛流杯粘度為10～30秒的料漿，室溫下干燥時(shí)間40～60小時(shí)。
4.按照權(quán)利要求3所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于加固層料漿為所述剛玉粉與硅溶膠按3.0∶1～4.0∶1配制而成。
5.按照權(quán)利要求3所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于最后一層料漿為所述剛玉粉與硅溶膠按3.0∶11～4.0∶1配制而成。
6.按照權(quán)利要求1所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于所述剛玉粉為澆結(jié)態(tài)或融熔態(tài)。
7.按照權(quán)利要求1所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于所述粘結(jié)劑為過渡元素氧化物的有機(jī)溶膠、Ti、Zr、Th過渡元素的有機(jī)金屬化合物的有機(jī)溶膠或稀土元素的有機(jī)溶膠，流杯粘度為10～30秒。
8.按照權(quán)利要求1所述熔模鑄造γ-TiAl基合金模殼的制備方法，其特征在于步驟3)脫臘后形成的模殼在室溫放置4～10小時(shí)后再進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度在600～1000℃，保溫1～4小時(shí)后，冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及精密鑄造的技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種熔模鑄造γ－TiAl基合金模殼的制備方法，首先，將粒度為200～400目的剛玉粉與有機(jī)溶膠按重量比為3.0∶1～4.0∶1配制成流杯粘度為10～40秒的料漿；然后，將上述料漿涂掛在蠟?zāi)Ｉ希隽６葹?00～16目的剛玉砂，干燥；如此反復(fù)7～8次，最后一層涂掛料漿，干燥；然后脫蠟，燒結(jié)。本發(fā)明制備模殼工藝簡(jiǎn)單，料漿性能容易控制，模殼內(nèi)表面質(zhì)量好，具有適宜的強(qiáng)度，澆鑄鑄件表面光滑，沒有明顯的反應(yīng)層，適合于澆注γ－TiAl基合金，達(dá)到精鑄γ－TiAl結(jié)構(gòu)件的要求。
文檔編號(hào)B22C9/04GK1541786SQ03111590
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月1日
發(fā)明者賈清, 崔玉友, 楊銳, 賈 清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所