一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳及其制备方法
阅读说明：本技术 一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳及其制备方法 (High-yield formwork for titanium-aluminum alloy precision investment casting and preparation method thereof ) 是由 冯港雯 范李鹏 徐信锋 姬艳硕 王宝兵 张旭亮 杨剑 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳制备方法；所述方法为：在熔模精密铸造型壳制备的沾浆和挂砂过程中加入木屑粉、木屑和棉线,木屑粉、木屑和棉线在型壳焙烧过程中充分燃烧,形成均匀孔隙,进而提高型壳的透气性和退让性；具体地,是在熔模精密铸造型壳制备的涂料配制和型壳涂挂过程中,将棉线均匀缠绕于前层型壳表面,采用含有木屑的背层耐火涂料进行沾浆,采用混有木屑的耐火砂进行挂砂。本发明通过在型壳制备时制备含木屑粉的耐火涂料、混有木屑的耐火砂,并于型壳表面均匀缠绕棉线,有效地提高了型壳的透气性和退让性,降低了钛铝合金铸件在凝固过程中的开裂倾向,最终提高了钛铝合金铸件合格率。(The invention discloses a preparation method of a high-yield formwork for titanium-aluminum alloy precision investment casting; the method comprises the following steps: adding sawdust powder, sawdust and cotton threads in the slurry dipping and sand hanging processes of investment precision casting shell preparation, wherein the sawdust powder, the sawdust and the cotton threads are fully combusted in the shell roasting process to form uniform pores, so that the air permeability and the deformability of the shell are improved; specifically, in the process of preparing a coating and hanging the shell prepared by precision investment casting of the shell, cotton threads are uniformly wound on the surface of a front-layer shell, a back-layer refractory coating containing wood chips is adopted for dipping, and refractory sand mixed with the wood chips is adopted for hanging sand. According to the invention, the fireproof coating containing the sawdust powder and the fireproof sand mixed with the sawdust are prepared during the preparation of the shell, and the cotton threads are uniformly wound on the surface of the shell, so that the air permeability and the deformability of the shell are effectively improved, the cracking tendency of the titanium-aluminum alloy casting in the solidification process is reduced, and the qualification rate of the titanium-aluminum alloy casting is finally improved.)
技术领域
本发明涉及一种熔模精密铸造用模壳制备方法，具体涉及一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳制备方法，属于钛铝合金熔模精密铸造技术领域。
背景技术
钛铝合金(也称钛铝基金属间化合物)中铝含量达到50％左右，与常规钛合金相比，钛铝合金具有密度小、比强度和比弹性模量高、高温抗氧化和抗蠕变能力较强等优异性能，已经成为新型航空、航天材料的发展目标。通过不断研究，目前，国内外学者已经开发出第三代和第四代钛铝合金，正在研究具有更高耐热温度的第四代甚至第五代钛铝合金。
由于钛铝合金室温塑性低，锻造、轧制等塑性成形方法实施难度大，熔模精密铸造是生产低成本大型复杂结构件的理想成形方法，因此，采用低成本的净尽成形铸造技术是制作航空、航天等领域用钛铝合金构件的最可能的方法。
目前钛铝合金熔模精密铸造用氧化物陶瓷型壳通常与常规钛合金相同，面层型壳多为钇溶胶+Y2O3粉+Y2O3砂或锆溶胶+ZrO2粉+ZrO2砂体系陶瓷型壳，背层多选用硅溶胶+锆英粉+莫来石体系陶瓷型壳。
钛铝合金的熔炼浇注温度高、液固相区窄(50～100℃)，合金导热快、密度低，因此填充和补缩能力差；此外，钛铝合金凝固收缩大、塑性差，型壳退让性较差时会对铸件的收缩产生阻碍，铸件易产生裂纹甚至断裂，进而导致铸件报废。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳及其制备方法，以解决钛铝合金熔模精密铸造过程中铸件的开裂问题。本发明通过在传统熔模精密铸造背层型壳制备工艺过程中添加棉线、木屑粉、木屑，型壳焙烧过程中型壳中的棉线、木屑粉、木屑燃烧形成空隙，提高型壳的透气性和退让性，进而有效控制熔模精密铸造钛铝合金铸件裂纹的产生，最终提高铸件合格率。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提出了一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳制备方法，其包括如下之步骤：
步骤S1：在制备精密铸造型壳过程加入预处理组合物；
步骤S2：将预处理组合物与型壳共同焙烧，以使得最终的型壳中具有均匀的孔隙。
优选地，在所述步骤S1中，所述预处理组合物包括木屑粉、木屑以及棉线。
优选地，所述步骤S1具体包括如下步骤：
在熔模精密铸造型壳制备的涂料配制、挂砂过程中，将预处理组合物中的棉线缠绕于前层型壳表面；
待缠绕完成后，采用预处理组合物中的含木屑粉的背层耐火涂料进行沾浆涂料于前层型壳表面；
待沾浆涂料完成后，采用预处理组合物中的含有木屑的耐火砂进行挂砂。
优选地，所述木屑粉粒度为60目～100目；所述木屑粒度为40目～60目；所述棉线直径为0.3目～1.2mm；缠绕时，棉线之间距离为5mm～20mm。
优选木屑粉粒度为60目～100目，是因为当木屑粉颗粒太小无法达到增加型壳孔隙率、提高型壳透气性和退让性的目的，颗粒太大会导致涂料中的木屑粉上浮。
更为优选地，所述木屑粉的质量百分比量为耐火浆料全部重量的0.5～2％，这是因为：质量百分比过低无法达到增加型壳孔隙率、提高型壳透气性和退让性的目的；而质量百分比过高，一方面导致涂料中的木屑粉上浮，另一方面导致型壳强度过低、易开裂破碎。
优选地，所述木屑的粒度为40～60目，这是因为当木屑颗粒太小无法达到增加型壳孔隙率、提高型壳透气性和退让性的目的，颗粒太大会导致型壳单个空隙发气量太大使型壳在焙烧过程中开裂破碎。
更为优选地，所述木屑的质量百分比为耐火砂重量的0.5～2％，当质量百分比过低无法达到增加型壳孔隙率、提高型壳透气性和退让性的目的，质量百分比过高，导致型壳空隙率过高、发气量太大，进而导致型壳强度过低，使型壳在焙烧过程中开裂破碎。
需要说明的是，所述耐火砂包括木屑以及莫来石砂。
优选地，棉线直径为0.3mm～1.2mm，这是因为棉线过细型壳湿强度不足，且无法达到增加型壳孔隙率、提高型壳透气性和退让性的目的；棉线过粗导致型壳空隙率过高、发气量太大，进而导致型壳强度过低，使型壳在焙烧过程中开裂破碎。
优选地，所述棉线缠绕于氧化物型壳表面是在前层型壳浆料干燥后进行的；所述缠绕为均匀缠绕，每次缠绕的层数为单层。
优选地，所述缠绕棉线之间的距离为5mm～20mm,这是因为：棉线缠绕宽度太窄，型壳焙烧后孔隙率过大，会引起括烧后型壳强度偏低，容易导致型壳在使用过程中碎裂。相反缠绕宽度太宽则会起不到降低型壳干强度、提高退让性的作用。
优选地，将预处理组合物中的棉线缠绕于前层型壳表面时，在前一层型壳制备并干燥完成后，将棉线均匀缠绕于型壳表面。
优选地，所述耐火涂料包括锆英粉、硅溶胶、木屑粉、消泡剂以及润湿剂，其中，所述消泡剂为正丁醇，所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
优选地，所述耐火浆料中锆英粉和硅溶胶的粉液比为1.7～2.2：1，木屑粉、消泡剂正丁醇、润湿剂脂肪醇聚氧乙烯醚的质量百分比分别为0.5～2％、0.01～0.03％、0.02～0.05％；
优选地，所述背层耐火涂料的粘度为10s～25s，粘度过高可添加适量硅溶胶，粘度过低可添加适量锆英粉；
优选地，所述背层耐火涂料的制备为：先加入硅溶胶胶液，加入润湿剂脂肪醇聚氧乙烯酶后搅拌，再加入相应量的锆英粉和木屑粉，搅拌一段时间后加入，粘度达标后加入消泡剂正丁醇。
需要说明的是，型壳制备过程中包括面层耐火涂料、过渡层耐火涂料和背层耐火涂料，本案中针对的是背层耐火涂料进行的改进。
优选地，所述背层耐火涂料的涂挂层数为3-5层。这是因为：棉线的缠绕可提高熔模型壳的湿强度，因此与传统钛合金熔模型壳相比可适当减少涂挂层数，但涂挂层数太少型壳强度偏低，在浇注过程中极易产生破裂；涂挂层数过多一方面会导致型壳退让性变差，另一方面会导致型壳过重增加操作难度，同时还会导致型壳透气性变差；
优选地，所述步骤S2的具体步骤为：将含预处理组合物的模壳进行焙烧，预处理组合物在焙烧过程中充分燃烧，以使得最终的型壳中具有均匀的孔隙，其中，燃烧工艺条件为：在大气环境将焙烧炉温度升至250℃-350℃保温1h～2h，再将焙烧炉温度升至900℃～1050℃，保温2h～2.5h后随炉冷却至500℃以下出炉。经过焙烧后，木屑粉、木屑、棉线充分燃烧，在型壳中形成均匀空隙，提高其透气性和退让性。
第二方面，本发明提出了一种钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳，所述钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳采用上述的钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳制备方法制备获得。
优选地，所述钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳的型壳上具有孔隙率为6-10％的孔隙，透气性达到了13-16cm4/g·min，退让性达到了0.35-0.4mm。。
需要说明的是，通过所述的钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳制备方法制备获得的模壳的透气性以及退让性得到了极大的提高，尤其是本案较之于现有技术而言，可以在传统熔模精密铸造型壳制备工艺过程中添加棉线、木屑粉、木屑，高温焙烧过程中型壳中的棉线、木屑粉、木屑燃烧形成空隙，提高型壳的透气性和退让性。由此可见，本案的方法操作简单，可以在原有的生产线上进行简单改造即可以获得较高的性能提升，改造成本低，节省了经济成本。
与传统钛合金制壳工艺相比，本发明的有益效果是：
1、由于每层型壳表面均使用棉线进行缠绕，使得本发明制备的型壳湿强度高于传统方法制备型壳湿强度的5％，确保型壳制备过程中不会因不断翻动和转移而破裂。
2、由于型壳中木屑粉、木屑、棉线在焙烧过程中燃烧留下空隙，型壳的干强度降低，透气性和退让性得以改善；本发明制备型壳的干强度比传统方法制备型壳干强度降低22％，透气性和退让性分别提高30％和25％以上。
3、本发明制备钛铝合金熔模型壳的孔隙率明显高于传统方法制备熔模型壳孔隙率，较高的孔隙率提高了型壳的透气性和退让性，降低了型壳的热传导，使钛铝合金铸件在凝固过程中的凝固速率降低，应力集中现象减少，进而有效降低钛铝合金铸件的开裂倾向，提高铸件质量。
附图说明
图1为传统钛合金精密铸造模壳制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
实施例1的钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳的制备工艺可以参考图1的传统钛合金制壳工艺，但是与传统钛合金制壳工艺不同的是，在进行图1的工艺过程中，实施例1加入了预处理组合物，以使得预处理组合物与型壳共同焙烧，以使得最终制备获得的型壳中具有均匀的孔隙。
钛铝合金熔模精密铸造用高退让模壳的制备包括如下步骤：
步骤S1：在制备精密铸造型壳过程加入预处理组合物；
步骤S2：将预处理组合物与型壳共同焙烧，以使得最终的型壳中具有均匀的孔隙。
具体来说，在步骤S1中，在熔模精密铸造型壳制备的涂料配制、挂砂过程中，将预处理组合物中的棉线缠绕于前层型壳表面；
待缠绕完成后，采用预处理组合物中的含木屑粉的背层耐火涂料进行沾浆涂料于前层型壳表面；
待沾浆涂料完成后，采用预处理组合物中的含有木屑的耐火砂进行挂砂。
在步骤S2中，将预处理组合物与型壳在型壳焙烧过程中充分燃烧，以使得最终的型壳中具有均匀的孔隙，其中，燃烧工艺条件为：在大气环境将焙烧炉温度升至250℃-350℃保温1h～2h，再将焙烧炉温度升至900℃～1050℃，保温2h～2.5h后随炉冷却至500℃以下出炉。
关于实施例1中的预处理组合物的制备方法如下：
1.1制备含木屑粉的背层耐火涂料
背层耐火涂料的组成成分为锆英粉、硅溶胶、木屑粉、消泡剂正丁醇和润湿剂脂肪醇聚氧乙烯醚，其中木屑粉粒度为60～100目，木屑粉占背层耐火涂料的总质量1％，涂料粉液比为2:1，消泡剂占背层耐火涂料总重量0.02％、润湿剂占背层耐火涂料总重量0.03％。
制备过程：向搅拌桶中加入硅溶胶胶液和润湿剂脂肪醇聚氧乙烯醚，搅拌后加入锆英粉和木屑粉，搅拌均匀后再加入消泡剂正丁醇，搅拌24h后测试涂料粘度，确保粘度为10～25s，粘度过高添加适量硅溶胶，粘度过低加入适量锆英粉。
1.2制备含木屑的耐火砂
耐火砂的组成成分为莫来石砂和木屑，其中，木屑粒度为40目～60目，木屑与莫来石砂的质量比为1:99。
制备过程：按比例分别称取莫来石砂和木屑，将两者共同放入翻转式搅拌桶中搅拌，直至搅拌均匀，得到所需的耐火砂。
1.3在型壳表面缠绕棉线
每层背层型壳制备前，用直径1mm的棉线均匀缠绕前一层型壳表面，缠绕时，棉线之间的距离根据实际型壳形状确定，线间距为5mm～20mm(当然在一些其他优选的实施方式中，也可以将线间距设置为5mm～15mm)，缠绕完成后进行下一层型壳的沾浆、挂砂和干燥。
1.4型壳焙烧及测试
型壳脱蜡完成后进行焙烧，木屑碳化、燃烧温度为300℃，时间为1.5h，焙烧温度为960℃，时间为2.5h，经过焙烧后，型壳中的木屑粉、木屑和棉线均充分燃烧，型壳中形成均匀孔隙。
将所形成的型壳采用型壳透气性测定仪对标准乒乓球模壳试样进行测试，测试温度为室温；采用万能材料试验机对标准三点弯曲试验模壳试样进行测试。
由测试结果可以发现，均匀分布的孔隙显著提高了型壳的透气性和退让性，使得实施例1的孔隙率达到了6-10％，透气性达到了13-16cm4/g·min，退让性达到了0.35-0.4mm，相较于现有技术，本案实施例的透气性提高了32％，退让性提高了26％。
需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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