一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法.pdf

一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，它涉及一种铸造方法。本发明解决了现有的方法制备工艺复杂、成本高、很难得到形状复杂的高温钛合金零件的问题。方法：一、快速制模得到蜡膜；二、制备型壳；三、焙烧；四、浇注高温钛合金铸件；五、后处理，经过清壳、喷砂、退火、精整、保压即得到高温钛合金铸件。本发明的制备工艺简单，成本低，设计灵活，可批量生产，能够得到形状复杂的高温钛合金零件。

1.  一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法按照以下步骤进行∶一、快速制模得到蜡膜；二、蜡膜表面涂挂1~2层的面层和5~7层的背层即得到型壳，其中，面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2~2.6∶1的质量比组成，背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.1~1.8∶1的质量比组成；三、步骤一的型壳在850~1100℃条件下焙烧0.5~2h；四、步骤三中焙烧后的型壳放入到离心铸钛机，然后将钛合金熔炼后浇注到型壳中进行离心铸造，冷却至室温即得到钛合金铸件；四、钛合金铸件经过清壳、喷砂、退火和精整后，在热等静压温度为850~1150℃、热等静压力为100~150MPa的条件下，保压0.5~4小时，即实现了高温钛合金的精密铸造。

2.  根据权利要求1所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤一中蜡膜表面涂挂2层的面层和5层的背层。

3.  根据权利要求1或2所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤一中面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2.2~2.4∶1的质量比组成。

4.  根据权利要求3所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤一中背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.3~1.6∶1的质量比组成。

5.  根据权利要求1、2或4所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤二中型壳在890~1050℃件下焙烧0.9~1.5h。

6.  根据权利要求5所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤三中离心铸造时离心转速为200~400rpm。

7.  根据权利要求1、2、4或6所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤四中退火温度为700~800℃，保温1~3h。

8.  根据权利要求7所述的一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法，其特征在于步骤四中热等静压温度为900~1000℃、热等静压力为110~140MPa的条件下，保压2~3小时。

一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法
技术领域
本发明涉及一种铸造方法。
背景技术
由于高温钛合金具有较高的使用温度、高温强度、较好的抗氧化性能、抗蠕变性能、抗疲劳性能等，在飞机发动机和火箭推进系统所用的新一代高温结构材料中以明显的优势而备受航空航天界材料工作者们的重视，已成为新一代高温结构材料的研究方向和发展趋势之一。随着航空工业的进一步发展，钛合金在飞机上的使用将越来越多。多用于制造航空发动机中要求强度高与耐热性好的重要零部件和飞机机体结构件。
美国大型复杂的发动机中间机匣式风扇框架已经采用Ti-6242高温钛合金精铸件，就是采用精密铸造方法制备的，但是该Ti-6242高温钛合金精铸件的工作温度仅为450℃左右，工作温度低。美国Howmet公司与波音公司今年对550℃以上使用的高温钛合金的铸造性能进行了系统的评价，认为采用合适的陶瓷型壳，并经过热处理和热等静压处理获得的精铸件的力学性能有望接近于Ti-6Al-4V合金，现已开始进行发动机铸件的应用研究，例如该方法制备的成分为Ti-6-2-4-2的高温钛合金铸件，虽然性能比较高，但是该高温钛合金的最高使用温度仅为450℃；Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的高温钛合金可以在550℃~600℃条件下使用，但是该合金系目前多以铸锭、板材、锻件的形式应用，特别是以锻造为主。对于形状复杂的零件，存在设计周期长，成本高，难以成形的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的方法制备工艺复杂、成本高、很难得到形状复杂的高温钛合金零件的问题，而提供了一种基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法。
本发明基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法按照以下步骤进行：一、快速制模得到蜡膜；二、蜡膜表面涂挂1~2层的面层和5~7层的背层即得到型壳，其中，面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2~2.6∶1的质量比组成，背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.1~1.8∶1的质量比组成；三、步骤一的型壳在850~1100℃条件下焙烧0.5~2h；四、步骤三中焙烧后的型壳放入到离心铸钛机，然后将钛合金熔炼后浇注到型壳中进行离心铸造，冷却至室温即得到钛合金铸件；四、钛合金铸件经过清壳、喷砂、退火和精整后，在热等静压温度为850~1150℃、热等静压力为100~150MPa的条件下，保压0.5~4小时，即实现了高温钛合金的精密铸造。
本发明的方法中以醋酸锆和氧化钇粉作为面层，而以硅溶胶和煤矸粉作为背层，在适当条件下进行焙烧，而后再经过铸造，成功实现了高温钛合金的精密铸造，本发明对制备条件的要求较低，制备工艺简单，且材料的利用率高，降低了生产成本低，本发明的方法具有近净成形的优点，能够实现批量生产，并且能够制备得到形状复杂的高温钛合金零件，本发明方法制备得到的高温钛合金的工作温度为550℃~600℃，耐高温性能好。
本发明的方法提供了一种快速灵活设计制备复杂形状的高温钛合金铸件的制备方法。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法按照以下步骤进行：一、快速制模得到蜡膜；二、蜡膜表面涂挂1~2层的面层和5~7层的背层即得到型壳，其中，面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2~2.6∶1的质量比组成，背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.1~1.8∶1的质量比组成；三、步骤一的型壳在850~1100℃条件下焙烧0.5~2h；四、步骤三中焙烧后的型壳放入到离心铸钛机，然后将钛合金熔炼后浇注到型壳中进行离心铸造，冷却至室温即得到钛合金铸件；四、钛合金铸件经过清壳、喷砂、退火和精整后，在热等静压温度为850~1150℃、热等静压力为100~150MPa的条件下，保压0.5~4小时，即实现了高温钛合金的精密铸造。
本实施方式步骤一中快速制模的方法是先利用计算机对高温钛合金铸件三维成形设计，将设计文件导入快速成型机制造零件蜡模，快速制模材料采用聚苯乙烯粉，制模后用2000目砂纸进行打磨，以增加蜡模的光洁度；然后再采用中温蜡制作浇注系统，将浇注系统和已制蜡模粘结在一起，将制好的模树在蜡模清洗液中往返振动，约10-18秒。其中，蜡模清洗液为乙醇、丙酮、正辛醇或洗衣粉液。
本实施方式中步骤一中面层浆料制备时将原料混合搅拌24~36h.，即得到面层浆料。
本实施方式中步骤一中背层的浆料制备时将原料混合搅拌12~24h，即得到背层浆料。
本实施方式中步骤一中的醋酸锆、氧化钇粉、硅溶胶和煤矸粉均可从市场上购买得到，其中氧化钇粉粒度80~320目，煤矸砂粒度30~60目。
本实施方式步骤四中喷砂后切割去除浇注系统，然后再退火。
本实施方式中以醋酸锆和氧化钇粉作为面层，而以硅溶胶和煤矸粉作为背层，在适当条件下进行焙烧，而后再经过铸造，成功实现了高温钛合金的精密铸造，本实施方式对制备条件的要求较低，制备工艺简单，且材料的利用率高，降低了生产成本低，本发明的方法具有近净成形的优点，能够实现批量生产，并且能够制备得到形状复杂的高温钛合金零件。
本实施方式方法根据所使用原料的不同，可实现以下高温钛合金的批量制备：Ti-1100(成分为Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si)，IMI834(成分为Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5M-0.135Si)，T36(成分为Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)，Ti60(成分为Ti-5.8Al-4.8Sn-2.0Zr-1.0Mo-0.135Si-0.85Nd)，且可以制备得到形状复杂的高温钛合金零件，使用温度均达到550℃~600℃，耐高温性能好。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中蜡膜表面涂挂1层的面层和7层的背层。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中蜡膜表面涂挂2层的面层和5层的背层。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2.2~2.4∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2.3∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2.2∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2.4∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.3~1.6∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.4∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中
背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.35∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤一中背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.6∶1的质量比组成。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤二中型壳在890~1050℃件下焙烧0.9~1.5h。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤二中型壳在1000℃件下焙烧1.2h。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤二中型壳在890℃件下焙烧1.5h。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：步骤二中型壳在1050℃件下焙烧0.9h。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：步骤三中离心铸造时200~400rpm。其他步骤及参数与具体实施方式一至十五之一相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤四中退火温度为700~800℃，保温1~3h。其他步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤四中退火温度为730~780℃，保温1.5~2.5h。其他步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤四中退火温度为750℃，保温2h。其他步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤四中退火温度为780℃，保温2.5h。其他步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式一至十六之一不同的是：步骤四中退火温度为730℃，保温1.5h。其他步骤及参数与具体实施方式一至十六之一相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤四中热等静压温度为900~1000℃、热等静压力为110~140MPa的条件下，保压时间2~3小时。其他步骤及参数与具体实施方式一至二十一之一相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤四中热等静压温度为950℃、热等静压力为135MPa的条件下，保压2.5小时。其他步骤及参数与具体实施方式一至二十一之一相同。
具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤四中热等静压温度为900℃、热等静压力为140MPa的条件下，保压3小时。其他步骤及参数与具体实施方式一至二十一之一相同。
具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式一至二十一之一不同的是：步骤四中热等静压温度为1000℃、热等静压力为110MPa的条件下，保压2小时。其他步骤及参数与具体实施方式一至二十一之一相同。
具体实施方式二十六：本实施方式具体实施方式一至二十五之一不同的是：步骤一中蜡膜表面涂挂2层的面层，第一层至第二层面层涂料由醋酸锆和氧化钇砂粉料按照2.3∶1的质量比混合组成，第一层面层涂料的干燥温度为22~26℃，湿度为50%~70%，干燥时间为8~10h，第二层面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉料按照2.3∶1的质量比混合组成，第一层面层涂料的干燥温度为22~26℃，湿度为50%~70%，干燥时间为12~14h；蜡膜表面涂挂上5层的背层，第一层至第五层背层涂料由硅溶胶和煤矸粉按照1.6：1的质量比混合组成，第一层背层涂料的干燥温度为22~26℃，湿度为40%~60%，干燥时间为15~16h，风速为3~5m/s,第一层到第五层背层涂料的干燥温度为22~26℃，湿度为30%~50%，干燥时间为16~20h，风速为6~8m/s。其他步骤及参数与具体实施方式一至二十五之一相同。
具体实施方式二十七：本实施方式基于快速原型的高温钛合金精密铸造方法按照以下步骤进行：一、快速制模得到蜡膜；二、蜡膜表面涂挂2层的面层和5层的背层即得到型壳，其中，面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉按照2.3∶1的质量比组成，背层由硅溶胶和煤矸粉按照1.6∶1的质量比组成；三、步骤一的型壳在900℃条件下焙烧1.5h；四、步骤三中焙烧后的型壳放入到离心铸钛机，然后将钛合金熔炼后浇注到型壳中进行离心铸造，冷却至室温即得到钛合金铸件；四、钛合金铸件经过清壳、喷砂、退火和精整后，在热等静压温度为1000℃、热等静压力为120MPa的条件下，保压2小时，即实现了高温钛合金的精密铸造。[0043]本实施方式步骤一中快速制模的方法是先利用计算机对高温钛合金铸件三维成形设计，将设计文件导入快速成型机制造零件蜡模，快速制模材料采用聚苯乙烯粉，制模后用2000目砂纸进行打磨，以增加蜡模的光洁度；然后再采用中温蜡制作浇注系统，将浇注系统和已制蜡模粘结在一起，将制好的模树在蜡模清洗液中往返震动，约10-18秒。其中，蜡模清洗液为乙醇、丙酮、正辛醇或洗衣粉液。
本实施方式步骤一中蜡膜表面涂挂2层的面层，第一层至第二层面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉料按照2.3∶1的质量比混合组成，第一层面层涂料的干燥温度为24℃，湿度为60%，干燥时间为9h，第二层面层涂料由醋酸锆和氧化钇粉料按照2.3∶1的质量比混合组成，第一层面层涂料的干燥温度为24℃，湿度为60%，干燥时间为13h；蜡膜表面涂挂上5层的背层，第一层至第五层背层涂料由硅溶胶和煤矸粉按照1.6：1的质量比混合组成，第一层背层涂料的干燥温度为22~26℃，湿度为50%，干燥时间为15h，风速为4m/s,第一层到第五层背层涂料的干燥温度为24℃，湿度为40%，干燥时间为18h，风速为7m/s。
本实施方式制备得到的高温钛合金的工作温度为550℃~600℃，耐高温性能好。