一种熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法技术

本发明专利技术涉及精密铸造的技术领域，具体为一种熔模铸造γ‑TiAl基合金叶片模壳的制备方法。首先，将粒度为200～400目的氧化钇粉与有机溶胶按重量比为5.0:1～7.0:1配制成流杯粘度为10～40秒的料浆；然后，将上述料浆涂挂在蜡模上，撒粒度为100～16目的氧化钇砂、刚玉砂、铝钒土砂、上店土砂或石英砂，干燥；如此反复7～8次，最后一层涂挂料浆，干燥；再脱蜡，烧结。本发明专利技术制备模壳工艺简单，料浆性能容易控制，寿命长，模壳内表面质量好，具有适宜的强度，浇铸叶片表面光滑，没有明显的表面疏松。该方法可以解决高活性、低塑性TiAl合金叶片近净尺寸成形、消除叶片表面疏松等缺陷控制难题，不仅限于精密铸造TiAl叶片，同样适合于浇注TiAl基合金其它结构件。

A Method of Preparing Gamma-TiAl Base Alloy Blade Shell by Investment Casting

The invention relates to the technical field of precision casting, in particular to a preparation method of gamma TiAl base alloy blade mold shell by investment casting. Firstly, the slurry with flow cup viscosity of 10-40 seconds was prepared by mixing yttrium oxide powder with organic sol with particle size of 200-400 mesh and weight ratio of 5.0:1-7.0:1. Then, the slurry was coated on the wax mould and dried with yttrium oxide sand, corundum sand, bauxite-vanadium earth sand, Shangdian soil sand or quartz sand with particle size of 100-16 mesh. Dewaxing and sintering. The method has the advantages of simple preparation process, easy control of slurry performance, long service life, good inner surface quality, suitable strength, smooth surface of casting blade and no obvious surface loosening. This method can solve the problems of near net size forming of TiAl alloy blades with high activity and low plasticity, and eliminate the surface looseness of blades. It is not only limited to precision casting TiAl blades, but also suitable for casting other TiAl-based alloy structural parts.

【技术实现步骤摘要】
一种熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法
本专利技术涉及精密铸造的
，具体为一种熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法。
技术介绍
γ-TiAl合金由于其低密度、高强度、高弹性模量及其良好的高温性能而成为新一代航空航天和汽车领域中的轻质结构材料，但影响TiAl元件广泛应用的最大障碍是其室温脆性和难加工性。熔模精密铸造作为一种可生产形状复杂、近净形结构件的技术是解决上述问题的有效方法，并具有良好的经济性。专利技术人已专利技术一项专利《一种制备熔模铸造γ-TiAl基合金模壳的方法》，适用于合金中Al含量大于50at.％的TiAl精密铸造技术，但目前迫切需要应用的TiAl合金中Al含量的范围40～50at.％，上述专利中主成分刚玉的显现惰性不足，叶片等铸件表面有明显的沾污层。因此，开发一种更为稳定的模壳体系具有重要的意义。美国通用电器(GE)公司已成功将TiAl合金应用于其先进的航空发动机低压涡轮叶片，其制造方法为重力铸造制备叶片毛坯，再利用电化学加工成净尺寸叶片。TiAl合金净尺寸铸造的难点在于：熔融状态的TiAl合金活性高，几乎与所有的耐火材料发生化学反应，损坏TiAl叶片表面质量和尺寸精度。近年来，氧化钇由于其相对较高的化学稳定性在钛合金精密铸造中应用很多，但与之相适应的粘结剂技术却是各商家与研究工作者严守的秘密，料浆寿命低是目前国内外面临的严峻问题。粘结剂是钛及钛铝基合金铸造工艺中最为关键的环节，必须满足能够粘结耐火材料并具有湿态与高温强度的使用要求。同时，焙烧后的产物应对液态TiAl有较好的化学稳定性。熔模铸造中常用的粘结剂有水玻璃、硅溶胶和硅酸乙酯，但其焙烧产物SiO2与液钛反应强烈而不能用于精密高端部件的制造。经过多年的研发，锆或稀土溶胶是目前钛及钛铝基合金熔模精铸的常用粘结剂，一定程度上满足使用要求，但其料浆稳定性差为精铸件的批量生产带来严重障碍。TiAl合金精密铸造另一难点在于：TiAl合金流动性差，疏松倾向高，对于长宽比较大的叶片或结构复杂的扩压器等结构件只有在强大的离心力协助作用下才能完成充型。大量研究表明，铸件心部疏松可以通过调整浇注温度场的方式解决，而表面疏松与模壳表面质量及其组成结构设计密切相关。因此，开发一种TiAl合金叶片精密铸造用模壳制备方法具有重要的实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构稳定的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，该方法可以解决高活性、低塑性TiAl合金叶片近净尺寸成形、消除叶片表面疏松等缺陷控制难题，满足精铸TiAl叶片批量生产的需求，但不限于叶片零件，也适用于TiAl扩压器、涡流器、增压器涡轮等大中小型零件的精密铸造。本专利技术的技术方案是：一种熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，包括如下步骤：1)将粒度为200～400目的氧化钇粉与有机溶胶按重量比为5.0:1～7.0:1配制成流杯粘度为10～40秒的料浆；2)将上述料浆涂挂在蜡模上，撒粒度为100～16目的氧化钇砂、刚玉砂、铝钒土砂、上店土砂或石英砂，干燥；如此反复7～8次，最后一层涂挂料浆，干燥；3)脱蜡，烧结。所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，步骤1)所述料浆制备过程中，添加活性剂、消泡剂、分散剂，活性剂占料浆的重量含量为1～5‰，消泡剂占料浆的重量含量为1～3‰，分散剂占料浆的重量含量为1～5％，在搅拌状态下将氧化钇粉与活性剂、分散剂加入到有机溶胶中，再加入消泡剂，搅拌5小时以上，然后放置4～12小时。所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，步骤2)所述的蜡模组浸入流杯粘度为30～40秒的料浆中3～10秒，撒粒度为100～65目的氧化钇砂、刚玉砂或石英砂，室温下干燥3～15小时，重复上述操作第2层，形成面层；然后涂挂第3～7层料浆，料浆流杯粘度为10～30秒，每层涂挂后撒粒度为45～16目的刚玉砂、铝钒土砂或上店土砂，室温下干燥4～30小时，形成加固层；最后一层涂挂流杯粘度为10～30秒的料浆，室温下干燥时间40～60小时。所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，加固层料浆为刚玉粉或铝钒土与硅溶胶按重量比3.0:1～4.0:1配制而成。所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，最后一层料浆为刚玉粉、铝钒土、上店土和煤矸石粉之一与硅溶胶按重量比3.0:1～4.0:1配制而成。所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，有机溶胶为过渡元素氧化物的有机溶胶；或者，有机溶胶为Ti、Zr、Th过渡元素的有机金属化合物的有机溶胶；或者，有机溶胶为稀土元素的有机溶胶；有机溶胶的流杯粘度为10～30秒。所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，步骤3)脱腊后形成的模壳在室温放置4～10小时后再进行烧结，烧结温度在600～1200℃，保温1～4小时后，冷却至室温。本专利技术的设计原理是：本专利技术是基于分散剂位阻效应或一定的电荷排斥原理，抑制粉料颗粒之间相互团聚的一种方法，从而达到延长料浆寿命的目的。本专利技术基于模壳结构设计，使TiAl熔融液在充型凝固瞬间在其表面形成快冷层，实现由表及里的凝固顺序，从而将表面疏松引至叶片心部，通过后续热等静压工序消除疏松缺陷。本专利技术的优点及有益效果是：1.本专利技术制备的模壳系统适合于浇注高活性TiAl合金，达到净尺寸精铸TiAl叶片及其它结构件的表面精度要求。2.本专利技术采用的耐火材料是电熔Y2O3，其结构致密，热膨胀系数小，有良好的化学稳定性，是一种优良的精铸用耐火材料。3.本专利技术采用的粘结剂是一种有机溶胶，该溶胶性质稳定，可放置几个月到三年内性能不变，用流杯粘度计测定其流杯粘度为10～30秒，该溶胶在适当的条件下会发生水解-缩合反应，形成三维网络结构，将耐火材料颗粒粘结在一起，形成一定的强度。4.本专利技术中采用的添加助剂是一种无机铵或有机铵或混合物，有利于分散料浆团聚，延长料浆寿命。5.本专利技术用于制备模壳时，在搅拌状态下将粉料与活性剂、分散剂加入到粘结剂中，再加入少量的消泡剂，充分搅拌，最好在5小时以上，然后放置4～12小时，利于料浆回性；充分回性的料浆，涂挂性与流动性均好，硬化时胶凝收缩小，型壳强度高。5.本专利技术中的活性剂具有良好的润湿与渗透能力，泡沫少且易于消泡，不影响料浆的稳定性，无毒、价廉。6.本专利技术中的面层料浆粉液重量比控制在5.0:1至7.0:1之间变化，主要取决于所需叶片铸件表面粗糙度的要求；加固层可采用硅溶胶与刚玉粉配制的料浆，也可采用硅溶胶与铝钒土/上店土配制的料浆，加固层料浆粘度依次降低，以利于涂浆能渗入到上一层涂料的撒砂间隙中并能良好的润湿，以排除砂粒间隙中的空气，使各层之间形成均匀连续而又紧密镶嵌的整体，防止形成孔洞、裂隙和分层，可以保证型壳结构强度。7.本专利技术方法制备模壳时，撒砂用氧化钇砂/刚玉砂/铝钒土砂/上店土砂从里到外逐渐加粗，1～2层撒较细的砂子，如：100～65目，加固层通常撒较粗的砂子，如：45～16目。为了避免分层，所选用砂子的粒度与料浆的粘度要适宜，既不会影响型壳表面质量，也有利于形成比较粗糙的背面，从而有利于同加固层涂料牢固地结合。8.本专利技术可以用水蒸汽进行脱蜡，方便无毒性。附图说明图1-图2是采用本专利技术得到的γ-TiAl叶片样件及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种熔模铸造γ‑TiAl基合金叶片模壳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将粒度为200～400目的氧化钇粉与有机溶胶按重量比为5.0:1～7.0:1配制成流杯粘度为10～40秒的料浆；2)将上述料浆涂挂在蜡模上，撒粒度为100～16目的氧化钇砂、刚玉砂、铝钒土砂、上店土砂或石英砂，干燥；如此反复7～8次，最后一层涂挂料浆，干燥；3)脱蜡，烧结。

【技术特征摘要】
1.一种熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将粒度为200～400目的氧化钇粉与有机溶胶按重量比为5.0:1～7.0:1配制成流杯粘度为10～40秒的料浆；2)将上述料浆涂挂在蜡模上，撒粒度为100～16目的氧化钇砂、刚玉砂、铝钒土砂、上店土砂或石英砂，干燥；如此反复7～8次，最后一层涂挂料浆，干燥；3)脱蜡，烧结。2.按照权利要求1所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，其特征在于：步骤1)所述料浆制备过程中，添加活性剂、消泡剂、分散剂，活性剂占料浆的重量含量为1～5‰，消泡剂占料浆的重量含量为1～3‰，分散剂占料浆的重量含量为1～5％，在搅拌状态下将氧化钇粉与活性剂、分散剂加入到有机溶胶中，再加入消泡剂，搅拌5小时以上，然后放置4～12小时。3.按照权利要求1所述的熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的蜡模组浸入流杯粘度为30～40秒的料浆中3～10秒，撒粒度为100～65目的氧化钇砂、刚玉砂或石英砂，室温下干燥3～15小时，重复上述操作第2层，形成面层；然后涂挂第3～7层料浆，料浆...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾清，杨锐，崔玉友，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21