專利名稱：一種反重力鑄造用高透氣性、高強度陶瓷型殼的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于熔模精密鑄造技術領域，特別是提供了一種反重力鑄造用高透氣性、 高強度陶瓷型殼的制備方法。
背景技術：
鈦鋁合金是一種輕質的新型高溫材料(3. 9g/cm3)，用于車用發(fā)動機增壓器渦輪鑄 件可因部件減重而改善發(fā)動機的加速性能、提高燃燒效率。但是，鈦鋁合金的低密度特點不 利于鑄造成形，且其凝固區(qū)間較窄，熔體流動性差，因而需用采用特殊的鑄造方法成形。日 本大同制鋼株式會社采用反重力鑄造法研制出了車用鈦鋁合金增壓器渦輪，現已成功進入 商業(yè)應用(Toshimitsu Tetsui. Mater Sci Eng[J]，2002，A329 331，582)。反重力鑄造是20世紀中期發(fā)展起來的一種鑄造澆注成形工藝，它是使坩堝中的 金屬熔體在熔體液面和型腔內壓差的作用下沿升液管自下而上克服重力及其他阻力充填 鑄型，并在壓力下獲得鑄件的一種鑄造工藝方法。目前，提高型殼強度的方法主要是增加陶瓷型殼的致密度或厚度。如文獻(周麗 紅，等.提高熔模鑄造型殼強度的途徑[J].特種鑄造及有色合金，1999 (3) 12-15)通過耐 火粉料的粒度分散分布和背層溶劑的模數優(yōu)化形成涂料完整包覆砂粒的致密結構，增加型 殼致密度從而提高了型殼強度。但是，提高陶瓷型殼致密度或厚度，則又導致透氣性降低。 本研究采用常規(guī)方法制備的陶瓷型殼進行反重力鑄造實驗時，鈦鋁合金增壓器渦輪的充型 難以完整，有10%的鈦鋁1合金增壓器渦輪充型完整，但型殼卻未發(fā)生過開裂，即型殼的強 度足以滿足反重力鑄造要求。經測試，該型殼在1000°C時的抗彎強度為4. llMPa。因而，有必要開發(fā)一種新的陶瓷型殼制備技術，在增加型殼透氣性(1000°C不低于 0. 045cm3/g. min)的同時，提高其抗彎強度(1000°C不低于4. llMPa)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種反重力鑄造用高透氣性、高強度陶瓷型殼的制備方 法，實現了在增加型殼透氣性(1000°C不低于0.045cm7g.min)的同時，提高其抗彎強度 (1000°C不低于 4. llMPa)。針對反重力鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪對陶瓷型殼透氣性和強度的雙重要求，本發(fā) 明在制備精鑄用陶瓷型殼的背層工藝過程如下(1)制備背層料漿在恒溫恒濕(溫度22士4°C，相對濕度55 75% )條件下，按 硅溶膠、煤矸石粉、食用糊精按重量比例為1 (1.2 1.3) (0.01 0.05)的配比稱取 背層原材料；將硅溶膠倒入背層涂料桶中，轉動涂料桶，然后將煤矸石粉加入到背層涂料桶 (與上面的煤背層涂料桶是同一物品嗎？如果是，請統(tǒng)一用語)中。用鏟子攪動料漿，將團 狀物攪散，隨后加入食用糊精并攪拌均勻，制成背層料漿，隨后將背層料漿機械攪拌1 2 小時后待用。
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(2)背層第一層涂料將模組浸入到背層料漿中進行沾漿，讓模組與料漿充分潤 濕后取出，手持模組不斷轉動，控掉模組上多余料漿，隨后撒30 60目煤矸石砂，將模組放 置在干燥架上干燥20 24小時。(3)背層第二層涂料操作過程與第一層背層涂料過程完全一致。(4)添加耐溫碳纖維繩在第二層背層涂料干燥20 24小時后采用規(guī)格為12K 24K/股、單絲直徑6 μ m的耐溫碳纖維繩將模組進行纏繞，耐溫碳纖維繩的纏繞間距為1 3mm，以此來提高型殼強度。(5)背層第三層及后續(xù)背層的型殼涂料將纏繞耐溫碳纖維繩的模組進行后續(xù)的 背層涂料，涂料沾漿與控料操作過程與第一層一致，但隨后撒16 30目的煤矸石砂，之后 模組放置20 24小時進行干燥。后續(xù)背層涂料過程與第三層完全一致，直至涂料到第六 層或第七層為止。(6)所有背層涂料完成后進行模組的脫蠟、焙燒，制備出陶瓷型殼。本技術將型殼涂料層數減少到6 7層，原來陶瓷型殼常規(guī)涂料層數為8層，這樣 的型殼制備技術能夠滿足反重力鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪對陶瓷型殼的透氣性和型殼強 度的雙重要求。本發(fā)明已進行的反重力鑄造實驗研究表明，可以通過壓差有效控制鈦鋁合金熔體 的充型速度，實現葉尖厚度最小0. 5mm的增壓器渦輪成形。同時發(fā)現，制備精鑄用陶瓷型殼 的過程中，需要在制殼料漿中添加適量食用糊精并將常規(guī)型殼的涂料次數減少1 2層， 才能使陶瓷鑄型殼的透氣性達到反重力鑄造的要求。有文獻報道(周波，等.無余量薄壁 葉片的精密鑄造[J].特種鑄造及有色合金，1999 (4) 17-19)，通過在涂料中添加高分子聚 合物粉料和乳膠，然后在焙燒過程燒失，使型殼形成孔洞，從而提高精鑄用陶瓷型殼的透氣 性。通過在硅溶膠粘結劑中添加有機纖維絲，焙燒過程中纖維完全燒盡，在型殼中形成許多 空洞，也可明顯提高陶瓷型殼透氣性(陳冰.聚合物和纖維增強硅溶膠一國外精鑄技術進 展述評(4)[J].特種鑄造及有色合金，2005 (4) :231-233)。這些提高型殼透氣性方法的共 同途徑是提高陶瓷型殼的孔隙度，從而增加殼腔內氣流的導出通道。但問題是，增加陶瓷型 殼的孔隙度必然導致其強度降低。經測量，本研究添加食用糊精并減少涂料層數制備的陶 瓷型殼在1000°C時的透氣性達到了 0. 045cm3/g. min，而其抗彎強度僅為2. 82MPa。本研究經TiAl合金增壓器渦輪的反重力鑄造實驗表明，這樣制備的陶瓷型殼強 度難以承受反重力鑄造熔體充型過程中型殼內外的壓差，經常發(fā)生型殼開裂并導致漏鋼。 因而，添加食用糊精并減少涂料層數制備的陶瓷型殼滿足了反重力鑄造鈦鋁合金增壓器渦 輪所需的透氣性，而強度達不到要求。


圖1為HP55渦輪反重力鑄造型殼。圖2為反重力鑄造HP55鈦鋁合金渦輪。
具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方式
是在恒溫恒濕間(溫度22°C，相對濕度60%)內按表1給出的背層漿料配比量取所需的硅溶膠，倒入背層涂料桶中，轉動背層涂料桶，然后將煤矸石粉加入到背層涂料桶中。 用鏟子攪動料漿，將團狀物攪散，隨后加入料漿重量3%的食用糊精并攪拌均勻，之后機械 攪拌1小時用作背層涂料。將模組浸入料漿中，讓模組與料漿充分潤濕后取出，手持模組不 斷轉動，控掉模組上多余料漿，隨后撒煤矸石砂。背層1、2層采用30 60目細砂，每層涂 料后進行24小時的干燥。在背層涂料第二層后采用規(guī)格為12K 24K/股、單絲直徑6 μ m 的耐溫碳纖維繩將模組進行纏繞，纏繞間距為2mm，以此來提高型殼強度。將纏繞耐溫碳纖 維繩的模組進行后續(xù)的背層涂料，涂料沾漿操作過程與第一層一致，但撒16 30目的煤矸 石砂，之后模組放置進行24小時干燥。隨后的背層涂料過程與第三層完全一致，每一層涂 料之間干燥時間24小時，直至涂料至第七層為止。隨后進行模組的脫蠟和焙燒工藝過程， 最后制備出陶瓷型殼。
表1背層料漿配比 采用以上工藝過程制備的型殼試樣，按HB5352. 4《熔模鑄造型殼透氣性測定方法》 和HB5352. 1《熔模鑄造型殼抗彎強度測定方法》進行測試，型殼在1000°C時透氣性的測試 結果為0. 065cm3/g. min，抗彎強度為4. 5MPa。采用以上工藝過程制備了 10件HP55增壓器渦輪型殼用于反重力鑄造，在試驗過 程中未見型殼開裂，有70%的鈦鋁合金增壓器渦輪充型完整。焙燒后的型殼見圖1，反重力 鑄造的鈦鋁合金渦輪見圖2。
權利要求
一種反重力鑄造用高透氣性、高強度陶瓷型殼的制備方法，其特征在于，工藝過程如下(1)制備背層料漿在恒溫恒濕條件下，按硅溶膠、煤矸石粉、食用糊精按重量比例為1∶(1.2～1.3)∶(0.01～0.05)的配比稱取背層原材料；將硅溶膠倒入背層涂料桶中，轉動涂料桶，然后將煤矸石粉加入到背層涂料桶中。用鏟子攪動料漿，將團狀物攪散，隨后加入食用糊精并攪拌均勻，制成背層料漿，隨后將背層料漿機械攪拌1～2小時后待用；(2)背層第一層涂料將模組浸入到背層料漿中進行沾漿，讓模組與料漿充分潤濕后取出，手持模組不斷轉動，控掉模組上多余背層料漿，隨后撒30～60目煤矸石砂，將模組放置在干燥架上干燥20～24小時；(3)背層第二層涂料操作過程與第一層涂料過程完全一致；(4)添加耐溫碳纖維繩在第二層背層涂料干燥20～24小時后采用規(guī)格為12K～24K/股、單絲直徑6μm的耐溫碳纖維繩將模組進行纏繞，耐溫碳纖維繩的纏繞間距為1～3mm，以此來提高型殼強度；(5)背層第三層及后續(xù)背層的型殼涂料將纏繞耐溫碳纖維繩的模組進行后續(xù)的背層涂料，涂料沾漿與控料操作過程與第一層一致，但隨后撒16～30目的煤矸石砂，之后模組放置20～24小時進行干燥；后續(xù)背層涂料過程與第三層完全一致，直至涂料到第六層或第七層為止。(6)所有背層涂料完成后進行模組的脫蠟、焙燒，制備出陶瓷型殼。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的恒溫恒濕是指恒溫的溫度為 18 26°C，恒濕的相對濕度為55 75%。
全文摘要
一種反重力鑄造用高透氣性、高強度陶瓷型殼的制備方法，屬于熔模精密鑄造領域。工藝過程為制備背層料漿，背層第一層涂料，背層第二層涂料，添加耐溫碳纖維繩在第二層背層涂料干燥20～24小時后采用規(guī)格為12K～24K/股、單絲直徑6μm的耐溫碳纖維繩將模組進行纏繞，耐溫碳纖維繩的纏繞間距為1～3mm，背層第三層及后續(xù)背層的型殼涂料，直至涂料到第六層或第七層為止，所有背層涂料完成后進行模組的脫蠟、焙燒，制備出陶瓷型殼。優(yōu)點在于，陶瓷型殼透氣性、強度達到預期水平；應用該型殼進行的反重力鑄造實驗表明，有70％的TiAl合金增壓器渦輪充型完整。
文檔編號B22C9/04GK101927321SQ20101027278
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權日2010年9月3日
發(fā)明者張繼, 朱春雷, 李勝, 王新英 申請人:北京鋼研高納科技股份有限公司