铸造用氧化钇型壳的制备方法与流程

本发明涉及一种精密铸造用型壳及其制备方法，具体涉及一种用于钛合金精密铸造的氧化钇型壳及其制备方法，属于熔模精密铸造型壳制备技术领域。

背景技术：

钛及其合金具有一系列优异特性，如高的比强度、高的耐热性、优良的耐蚀性和形状记忆、储氢、可焊、超导、无磁等，是优质轻型金属结构材料和重要的功能材料，被誉为“崛起的第三金属”。

精密铸造是钛合金零件的先进制造技术，属近净成形技术，具有尺寸精度高、表面质量好、加工余量少或无余量加工、生产效率高等优点，可以大幅度提高钛合金的利用率，降低生产成本。又由于热等静压技术的广泛应用，使得某些铸造缺陷得以消除，从而明显改善钛合金铸件的力学性能及其稳定性，促进了钛合金铸件在宇航工业中的应用。

钛合金为最难于精密铸造的工业金属，这是因为钛的熔点高、化学活性大、钛金属液几乎与所有的耐火材料发生不同程度的反应，因此大大影响了钛精密铸件的外观质量及力学性能。

钛合金精密铸造技术中型壳的制备是整个过程中的关键工艺，型壳不仅影响钛合金精铸件的表面质量，而且型壳的透气性、强度、高温稳定性对钛合金制件的浇注过程、力学性能、铸造缺陷及铸件污染层都有很大的影响。

钛合金精密铸造普遍采用氧化物陶瓷型壳工艺，面层耐火材料用难熔金属氧化物，粘结剂用难熔金属氧化物胶体或金属有机化合物。这个工艺的关键在于面层惰性氧化物的选择以及型壳面层的制备。目前大多采用氧化锆或氧化钇为耐火材料，醋酸锆、钇溶胶为粘结剂制备型壳材料。

采用钇溶胶、醋酸锆作为粘结剂时，具有良好的粘结性，在大气下干燥，分子聚合度增加，逐渐胶凝固化。胶凝后的醋酸锆加热将逐渐脱水分解，高温煅烧后，生成ZrO₂，其在高温下也难以与高活性金属或合金（如钛，钛合金等）发生反应，具有很大的应用前景。

但醋酸锆具有水溶性质，其在制壳、蒸汽脱蜡过程中会出现遇水回溶的现象，易造成型壳面层起皮、脱落、开裂、掉粉等，严重影响钛合金铸件表面质量，因此对醋酸锆粘结剂不能采用蒸汽脱蜡，型壳脱蜡一般采用专用脱蜡设备和工艺，如闪烧炉脱蜡、红外脱蜡釜、溶剂脱蜡工艺等，但是闪烧炉脱蜡、红外脱蜡釜存在脱蜡过程慢的问题，导致型壳易膨胀，严重的甚至导致型壳开裂，影响精铸件的质量。溶剂脱蜡工艺多采用氯化物等有害化学制品，对人体存在伤害。这些脱蜡工艺给生产过程带来了诸多不便。而碳酸锆铵粘结剂可以克服醋酸锆粘结剂的这些缺点，这是因为碳酸锆铵为碱性粘结剂，干燥后遇水不会产生回溶。

氧化钇面层型壳导热性低、强度高，在高温下不易与Nb、Ti、Si、Hf等元素反应，这是其可作为耐高温型壳材料的保证。可浇注冶金质量良好的大型薄壁钛合金精密铸件。但该制壳工艺控制难度较大，原材料价格较氧化锆偏高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决钇溶胶、醋酸锆粘结剂制备的氧化钇型壳不能蒸汽脱蜡的技术难题，提出了一种新型氧化钇型壳及其制备方法，可有效改善氧化钇型壳不能蒸汽脱蜡的缺点，解决了现有的型壳制备、脱蜡过程中存在的材料遇水回溶以及型壳透气性差的缺点。该型壳能够用于钛合金熔模精密铸造，具有制备工艺简单，制备的型壳性能优良、成本低廉等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种钛合金精密铸造用氧化钇型壳的制备方法，包括以下步骤：

(1) 面层涂料的制备：将氧化钇耐火粉与碳酸锆铵粘结剂混合并搅拌12~48h，涂料粘度控制在20~60s，制得面层涂料；

(2) 过渡层涂料的制备：将氧化钇耐火粉与碳酸锆铵粘结剂混合并搅拌6~24h，涂料粘度控制在15~50s，制得过渡层涂料；

(3) 背层涂料的制备：将莫来石耐火粉与硅溶胶粘结剂混合并搅拌6~12h，涂料粘度控制在30~80s，制得背层涂料；

(4) 型壳的制备：将组树后蜡模清洗干净后浸入步骤（1）制备的面层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒氧化钇耐火砂，干燥6~24h；重复制备面层型壳1~2次；将制备好面层型壳后的蜡模浸入步骤（2）制备的过渡层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒氧化钇耐火砂，干燥8~16h；将制备好过渡层型壳后的蜡模浸入步骤（3）制备的背层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒莫来石耐火砂，干燥4~12h，重复制备背层型壳3~6次；最后一层为封浆层，涂挂背层涂料后不撒砂干燥48h；

(5) 型壳的脱蜡：将步骤（4）所得型壳放入脱蜡釜中进行蒸汽脱蜡；

(6) 型壳的焙烧：将步骤（5）所得脱蜡完毕后的型壳进行焙烧，焙烧后冷却至室温，即得钛合金精密铸造用氧化钇型壳。

进一步，所述步骤（1）中称取耐火粉、粘结剂、润湿剂和消泡剂，其中耐火粉的质量与粘结剂的体积比，即粉液比为2~5，润湿剂的体积为粘结剂体积的0.05%~0.5%，消泡剂的体积为粘结剂体积的0.1%~0.6%。

进一步，所述耐火粉为电熔氧化钇经过破碎筛分后所得小于325目的氧化钇粉末，粘结剂为碳酸锆铵，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌3h~8h，然后再将称取好的润湿剂和消泡剂加入到面层涂料中，继续搅拌12h~48h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的面层涂料。

优选的，步骤（1）中制备面层涂料的工作环境温度控制在15~30℃，相对湿度控制在40~80%，面层涂料湿度控制在10~25℃，面层涂料控制流杯粘度为20s~60s。

优选的，步骤（2）中制备过渡层涂料的工作环境温度控制在15~30℃，相对湿度控制在40~80%，面层涂料湿度控制在10~25℃，面层涂料控制流杯粘度为15s~50s。

优选的，步骤（3）中制备背层涂料的工作环境温度控制在15~30℃，相对湿度控制在40~80%，背层涂料湿度控制在10~25℃，背层涂料控制流杯粘度为30s~80s。

优选的，步骤（4）中型壳在温度为20~25℃，相对湿度为40~70%的条件下干燥。

优选的，步骤（5）所述型壳的蒸汽脱蜡压力为0.3~0.7Mpa，脱蜡时间为3~30min。

优选的，步骤（6）所述型壳的焙烧，升温到200~400℃保温0.5~2h，继续升温至800~1200℃保温1~3h。

优选的，步骤（4）所述型壳的制备，采用多层次的挂浆、干燥、撒砂是为了获得具有多层次结构的预成型型壳。面层型壳的作用是能精确地复制蜡模的表面形状，形成致密、光滑的型腔表面，以保证最后获得表面光滑、棱角清晰的铸件；背层型壳的作用是加厚、加固型壳，使型壳具有良好的强度、抗热震性等力学性能。

本发明的有益效果是：

1.所制氧化钇型壳服役温度为1500~2000℃，能够用于高活性金属钛合金的精密 铸造。

2.氧化钇型壳的制备方法解决了现有的型壳制备、脱蜡过程中存在的材料遇水回溶以及型壳透气性差的缺点。脱蜡设备简单，操作简便。采用蒸汽脱蜡，对环境无污染，且制备的型壳对人体健康无影响。

3.采用碳酸锆铵为粘结剂，可降低型壳生产成本、提高型壳的稳定性、降低所熔炼合金液与型壳的反应程度，并提高尺寸稳定性及高温强度，最终制得表面光洁且性能优异的铸件。

4.氧化钇稳定的化学性质，便于面层涂料的配制和保存。所制氧化钇面层涂料悬浮率高，涂覆性好，密度、粘度适中易控制，面层涂料能够均匀涂挂到蜡模上，致密性好，同时粘结剂中含氧化锆耐火成分，更能保证面层型壳的耐高温性能。适合铸件的批量化生产。另外，用本方法制成的面层浆料和加固层浆料性能稳定，涂挂性能优良，化学惰性好，型壳强度高，浇铸过程未出现变形、跑火现象。这种抗界面反应的氧化钇陶瓷型壳可以制造航空航天的大尺寸复杂薄壁钛合金精密铸件。

5.所用面层涂料制备的型壳内表面光洁度高，焙烧后的型壳表面光滑，面层无任何开裂现象，完全清晰地复制了铸件蜡模的形状。并且透气性、退让性较好，因而使得浇铸后的钛合金铸件表面光滑无污染，粗糙度较低。

6.所制氧化钇型壳经过大温度梯度钛合金浇注后不开裂，能够满足抗热震性能的要求。型壳具有耐高温、抗热震稳定性好、高化学稳定性的特点，制备出的钛合金铸件尺寸精度高，表面污染层极薄。

附图说明

图1是本发明的一种钛合金精密铸造用氧化钇型壳的制备方法流程图；

图2是本发明方法制备的一种钛合金精密铸造用氧化钇型壳示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

一种钛合金精密铸造用氧化钇型壳的制备方法，包括以下步骤：

（1）面层涂料的制备：称取耐火粉、粘结剂、润湿剂和消泡剂，其中耐火粉的质量与粘结剂的体积比（粉液比）为2~5，润湿剂的体积为粘结剂体积的0.05%~0.5%，消泡剂的体积为粘结剂体积的0.1%~0.6%。耐火粉为电熔氧化钇经过破碎筛分后所得小于325目的氧化钇粉末，粘结剂为碳酸锆铵，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌3h~8h，然后再将称取好的润湿剂和消泡剂加入到面层涂料中，继续搅拌12h~48h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的面层涂料。

（2）过渡层涂料的制备：称取耐火粉和粘结剂、润湿剂和消泡剂，其中耐火粉的质量与粘结剂的体积比（粉液比）为2~4，润湿剂的体积为粘结剂体积的0.05%~0.5%，消泡剂的体积为粘结剂体积的0.1%~0.6%。耐火粉为电熔氧化钇经过破碎筛分后所得小于325目的氧化钇粉末，粘结剂为碳酸锆铵，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌2h~5h，然后再将称取好的润湿剂和消泡剂加入到面层涂料中，继续搅拌6h~24h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的过渡层涂料。

（3）背层涂料的制备：称取耐火粉、粘结剂，其中耐火粉的质量与粘结剂的体积比（粉液比）为3~6。耐火粉为200目的莫来石粉，粘结剂为硅溶胶。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌6~12h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的背层涂料。

（4） 型壳的制备：制备面层型壳：将组树后蜡模清洗干净后浸入步骤（1）制备的面层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒氧化钇耐火砂，干燥8~16h。所用氧化钇砂为100~200目，重复制备面层型壳1~2次。制备过渡层型壳：将制备好面层型壳后的蜡模浸入步骤（2）制备的过渡层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒氧化钇耐火砂，干燥8~16h。所用氧化钇砂为50~100目。制备背层型壳：将制备好面层型壳后的蜡模浸入步骤（3）制备的背层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒莫来石耐火砂，干燥4~12h。所用莫来石砂为20~50目，重复制备背层型壳3~6次。最后一层为封浆层，涂挂背层涂料后不撒砂干燥48h。

（5）型壳的脱蜡：将步骤（4）所得的型壳放入脱蜡釜中进行蒸汽脱蜡。

（6）型壳的焙烧：将步骤（5）所得脱蜡完毕后的型壳进行焙烧，焙烧后冷却至室温，即得钛合金精密铸造用氧化钇型壳。

实施例1：

一种钛合金精密铸造用氧化钇型壳的制备方法，包括以下步骤：

（1）面层涂料的制备：称取3Kg的耐火粉，量取1L的粘结剂、1mL的润湿剂和2mL消泡剂。耐火粉为小于325目的电熔氧化钇，粘结剂为碳酸锆铵，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌8h，然后再将称取好的润湿剂和消泡剂加入到面层涂料中，继续搅拌16h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的面层涂料。面层涂料制备的工作环境温度控制在20℃，相对湿度控制在50%，面层涂料温度控制在15℃，面层涂料控制流杯粘度为20s。

（2）过渡层涂料的制备：称取2.5Kg的耐火粉，量取1L的粘结剂、1mL的润湿剂和2mL消泡剂。耐火粉为小于325目的电熔氧化钇，粘结剂为碳酸锆铵，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌3h，然后再将称取好的润湿剂和消泡剂加入到面层涂料中，继续搅拌6h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的过渡层涂料。过渡层涂料制备的工作环境温度控制在20℃，相对湿度控制在50%，过渡层涂料温度控制在15℃，过渡层涂料控制流杯粘度为16s。

（3）背层涂料的制备：称取40Kg的耐火粉，量取10L的粘结剂。耐火粉为200目的莫来石粉，粘结剂为硅溶胶。将称取好的耐火粉加入到粘结剂中搅拌6h，得到钛合金精密铸造用氧化钇型壳的背层涂料。背层涂料制备的工作环境温度控制在20℃，相对湿度控制在50%，背层涂料湿度控制在15℃，背层涂料控制流杯粘度为30s。

（4）型壳的制备：制备面层型壳：将组树后的蜡模清洗干净后浸入步骤（1）制备的面层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待涂料停止流动后，均匀撒氧化钇耐火砂，干燥12h。所用氧化钇砂为100~200目，重复制备面层型壳2次。如图1所示为涂挂面层涂料后的蜡模。过渡层型壳：将制备好面层型壳后的蜡模浸入步骤（2）制备的过渡层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待流动静止后，均匀撒氧化钇耐火砂，干燥8h。所用氧化钇砂为50~100目。制备背层型壳：将制备好面层型壳后的蜡模浸入步骤（3）制备的背层涂料中均匀涂挂，涂挂均匀后提出，待流动静止后，均匀撒莫来石耐火砂，干燥4h。所用莫来石砂为20~50目，重复制备背层型壳5次。如图2所示为制备背层后正在干燥的型壳。最后一层为封浆层，涂挂背层涂料后不撒砂干燥48h。

（5）型壳的脱蜡：将步骤（4）所得的型壳放入脱蜡釜中进行蒸汽脱蜡。脱蜡压力为0.4Mpa，脱蜡时间为5min。

（6）型壳的焙烧：将步骤（5）所得脱蜡完毕后的型壳进行焙烧，焙烧后随炉冷却至室温即可制得碳酸锆铵粘结氧化钇型壳。焙烧炉先升温到300℃保温1h，继续升温至1000℃保温2h。即得钛合金精密铸造用氧化钇型壳。

本发明的钛合金精密铸造用氧化钇型壳的制备方法采用碳酸锆铵为粘结剂，具有很好的抗水性，因此不会出现遇水回溶的情况，选择的脱蜡方法为蒸汽脱蜡，对环境无污染，所制氧化钇面层涂料涂覆性好，能够均匀涂挂到蜡模上，致密性好。制备的型壳内表面光洁度高，且完全清晰地复制了铸件蜡模的形状。制备的面层型壳在航空航天领域具有广泛的应用前景，浇铸的TA15钛合金薄壁铸件界面反应层很小，仅为~0.03mm，铸件精度高，性能优异，便于后期精整。

上述通过具体的实施例对本发明的技术方案作了进一步描述，但本发明并不限于这些实施例，该领域的技术熟练人员可以根据上述内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。