本發(fā)明涉及一種精密鑄造用型殼及其制備方法，具體涉及一種用于鈦合金精密鑄造的氧化釔型殼及其制備方法，屬于熔模精密鑄造型殼制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鈦及其合金具有一系列優(yōu)異特性，如高的比強度、高的耐熱性、優(yōu)良的耐蝕性和形狀記憶、儲氫、可焊、超導(dǎo)、無磁等，是優(yōu)質(zhì)輕型金屬結(jié)構(gòu)材料和重要的功能材料，被譽為“崛起的第三金屬”。

精密鑄造是鈦合金零件的先進制造技術(shù)，屬近凈成形技術(shù)，具有尺寸精度高、表面質(zhì)量好、加工余量少或無余量加工、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，可以大幅度提高鈦合金的利用率，降低生產(chǎn)成本。又由于熱等靜壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得某些鑄造缺陷得以消除，從而明顯改善鈦合金鑄件的力學(xué)性能及其穩(wěn)定性，促進了鈦合金鑄件在宇航工業(yè)中的應(yīng)用。

鈦合金為最難于精密鑄造的工業(yè)金屬，這是因為鈦的熔點高、化學(xué)活性大、鈦金屬液幾乎與所有的耐火材料發(fā)生不同程度的反應(yīng)，因此大大影響了鈦精密鑄件的外觀質(zhì)量及力學(xué)性能。

鈦合金精密鑄造技術(shù)中型殼的制備是整個過程中的關(guān)鍵工藝，型殼不僅影響鈦合金精鑄件的表面質(zhì)量，而且型殼的透氣性、強度、高溫穩(wěn)定性對鈦合金制件的澆注過程、力學(xué)性能、鑄造缺陷及鑄件污染層都有很大的影響。

鈦合金精密鑄造普遍采用氧化物陶瓷型殼工藝，面層耐火材料用難熔金屬氧化物，粘結(jié)劑用難熔金屬氧化物膠體或金屬有機化合物。這個工藝的關(guān)鍵在于面層惰性氧化物的選擇以及型殼面層的制備。目前大多采用氧化鋯或氧化釔為耐火材料，醋酸鋯、釔溶膠為粘結(jié)劑制備型殼材料。

采用釔溶膠、醋酸鋯作為粘結(jié)劑時，具有良好的粘結(jié)性，在大氣下干燥，分子聚合度增加，逐漸膠凝固化。膠凝后的醋酸鋯加熱將逐漸脫水分解，高溫煅燒后，生成ZrO₂，其在高溫下也難以與高活性金屬或合金（如鈦，鈦合金等）發(fā)生反應(yīng)，具有很大的應(yīng)用前景。

但醋酸鋯具有水溶性質(zhì)，其在制殼、蒸汽脫蠟過程中會出現(xiàn)遇水回溶的現(xiàn)象，易造成型殼面層起皮、脫落、開裂、掉粉等，嚴重影響鈦合金鑄件表面質(zhì)量，因此對醋酸鋯粘結(jié)劑不能采用蒸汽脫蠟，型殼脫蠟一般采用專用脫蠟設(shè)備和工藝，如閃燒爐脫蠟、紅外脫蠟釜、溶劑脫蠟工藝等，但是閃燒爐脫蠟、紅外脫蠟釜存在脫蠟過程慢的問題，導(dǎo)致型殼易膨脹，嚴重的甚至導(dǎo)致型殼開裂，影響精鑄件的質(zhì)量。溶劑脫蠟工藝多采用氯化物等有害化學(xué)制品，對人體存在傷害。這些脫蠟工藝給生產(chǎn)過程帶來了諸多不便。而碳酸鋯銨粘結(jié)劑可以克服醋酸鋯粘結(jié)劑的這些缺點，這是因為碳酸鋯銨為堿性粘結(jié)劑，干燥后遇水不會產(chǎn)生回溶。

氧化釔面層型殼導(dǎo)熱性低、強度高，在高溫下不易與Nb、Ti、Si、Hf等元素反應(yīng)，這是其可作為耐高溫型殼材料的保證?？蓾沧⒁苯鹳|(zhì)量良好的大型薄壁鈦合金精密鑄件。但該制殼工藝控制難度較大，原材料價格較氧化鋯偏高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決釔溶膠、醋酸鋯粘結(jié)劑制備的氧化釔型殼不能蒸汽脫蠟的技術(shù)難題，提出了一種新型氧化釔型殼及其制備方法，可有效改善氧化釔型殼不能蒸汽脫蠟的缺點，解決了現(xiàn)有的型殼制備、脫蠟過程中存在的材料遇水回溶以及型殼透氣性差的缺點。該型殼能夠用于鈦合金熔模精密鑄造，具有制備工藝簡單，制備的型殼性能優(yōu)良、成本低廉等優(yōu)點。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

(1) 面層涂料的制備：將氧化釔耐火粉與碳酸鋯銨粘結(jié)劑混合并攪拌12~48h，涂料粘度控制在20~60s，制得面層涂料；

(2) 過渡層涂料的制備：將氧化釔耐火粉與碳酸鋯銨粘結(jié)劑混合并攪拌6~24h，涂料粘度控制在15~50s，制得過渡層涂料；

(3) 背層涂料的制備：將莫來石耐火粉與硅溶膠粘結(jié)劑混合并攪拌6~12h，涂料粘度控制在30~80s，制得背層涂料；

(4) 型殼的制備：將組樹后蠟?zāi)Ｇ逑锤蓛艉蠼氩襟E（1）制備的面層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥6~24h；重復(fù)制備面層型殼1~2次；將制備好面層型殼后的蠟?zāi)＝氩襟E（2）制備的過渡層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8~16h；將制備好過渡層型殼后的蠟?zāi)＝氩襟E（3）制備的背層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒莫來石耐火砂，干燥4~12h，重復(fù)制備背層型殼3~6次；最后一層為封漿層，涂掛背層涂料后不撒砂干燥48h；

(5) 型殼的脫蠟：將步驟（4）所得型殼放入脫蠟釜中進行蒸汽脫蠟；

(6) 型殼的焙燒：將步驟（5）所得脫蠟完畢后的型殼進行焙燒，焙燒后冷卻至室溫，即得鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼。

進一步，所述步驟（1）中稱取耐火粉、粘結(jié)劑、潤濕劑和消泡劑，其中耐火粉的質(zhì)量與粘結(jié)劑的體積比，即粉液比為2~5，潤濕劑的體積為粘結(jié)劑體積的0.05%~0.5%，消泡劑的體積為粘結(jié)劑體積的0.1%~0.6%。

進一步，所述耐火粉為電熔氧化釔經(jīng)過破碎篩分后所得小于325目的氧化釔粉末，粘結(jié)劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌3h~8h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續(xù)攪拌12h~48h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的面層涂料。

優(yōu)選的，步驟（1）中制備面層涂料的工作環(huán)境溫度控制在15~30℃，相對濕度控制在40~80%，面層涂料濕度控制在10~25℃，面層涂料控制流杯粘度為20s~60s。

優(yōu)選的，步驟（2）中制備過渡層涂料的工作環(huán)境溫度控制在15~30℃，相對濕度控制在40~80%，面層涂料濕度控制在10~25℃，面層涂料控制流杯粘度為15s~50s。

優(yōu)選的，步驟（3）中制備背層涂料的工作環(huán)境溫度控制在15~30℃，相對濕度控制在40~80%，背層涂料濕度控制在10~25℃，背層涂料控制流杯粘度為30s~80s。

優(yōu)選的，步驟（4）中型殼在溫度為20~25℃，相對濕度為40~70%的條件下干燥。

優(yōu)選的，步驟（5）所述型殼的蒸汽脫蠟壓力為0.3~0.7Mpa，脫蠟時間為3~30min。

優(yōu)選的，步驟（6）所述型殼的焙燒，升溫到200~400℃保溫0.5~2h，繼續(xù)升溫至800~1200℃保溫1~3h。

優(yōu)選的，步驟（4）所述型殼的制備，采用多層次的掛漿、干燥、撒砂是為了獲得具有多層次結(jié)構(gòu)的預(yù)成型型殼。面層型殼的作用是能精確地復(fù)制蠟?zāi)５谋砻嫘螤睿纬芍旅?、光滑的型腔表面，以保證最后獲得表面光滑、棱角清晰的鑄件；背層型殼的作用是加厚、加固型殼，使型殼具有良好的強度、抗熱震性等力學(xué)性能。

本發(fā)明的有益效果是：

1.所制氧化釔型殼服役溫度為1500~2000℃，能夠用于高活性金屬鈦合金的精密 鑄造。

2.氧化釔型殼的制備方法解決了現(xiàn)有的型殼制備、脫蠟過程中存在的材料遇水回溶以及型殼透氣性差的缺點。脫蠟設(shè)備簡單，操作簡便。采用蒸汽脫蠟，對環(huán)境無污染，且制備的型殼對人體健康無影響。

3.采用碳酸鋯銨為粘結(jié)劑，可降低型殼生產(chǎn)成本、提高型殼的穩(wěn)定性、降低所熔煉合金液與型殼的反應(yīng)程度，并提高尺寸穩(wěn)定性及高溫強度，最終制得表面光潔且性能優(yōu)異的鑄件。

4.氧化釔穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，便于面層涂料的配制和保存。所制氧化釔面層涂料懸浮率高，涂覆性好，密度、粘度適中易控制，面層涂料能夠均勻涂掛到蠟?zāi)Ｉ?，致密性好，同時粘結(jié)劑中含氧化鋯耐火成分，更能保證面層型殼的耐高溫性能。適合鑄件的批量化生產(chǎn)。另外，用本方法制成的面層漿料和加固層漿料性能穩(wěn)定，涂掛性能優(yōu)良，化學(xué)惰性好，型殼強度高，澆鑄過程未出現(xiàn)變形、跑火現(xiàn)象。這種抗界面反應(yīng)的氧化釔陶瓷型殼可以制造航空航天的大尺寸復(fù)雜薄壁鈦合金精密鑄件。

5.所用面層涂料制備的型殼內(nèi)表面光潔度高，焙燒后的型殼表面光滑，面層無任何開裂現(xiàn)象，完全清晰地復(fù)制了鑄件蠟?zāi)５男螤?。并且透氣性、退讓性較好，因而使得澆鑄后的鈦合金鑄件表面光滑無污染，粗糙度較低。

6.所制氧化釔型殼經(jīng)過大溫度梯度鈦合金澆注后不開裂，能夠滿足抗熱震性能的要求。型殼具有耐高溫、抗熱震穩(wěn)定性好、高化學(xué)穩(wěn)定性的特點，制備出的鈦合金鑄件尺寸精度高，表面污染層極薄。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法流程圖；

圖2是本發(fā)明方法制備的一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

（1）面層涂料的制備：稱取耐火粉、粘結(jié)劑、潤濕劑和消泡劑，其中耐火粉的質(zhì)量與粘結(jié)劑的體積比（粉液比）為2~5，潤濕劑的體積為粘結(jié)劑體積的0.05%~0.5%，消泡劑的體積為粘結(jié)劑體積的0.1%~0.6%。耐火粉為電熔氧化釔經(jīng)過破碎篩分后所得小于325目的氧化釔粉末，粘結(jié)劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌3h~8h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續(xù)攪拌12h~48h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的面層涂料。

（2）過渡層涂料的制備：稱取耐火粉和粘結(jié)劑、潤濕劑和消泡劑，其中耐火粉的質(zhì)量與粘結(jié)劑的體積比（粉液比）為2~4，潤濕劑的體積為粘結(jié)劑體積的0.05%~0.5%，消泡劑的體積為粘結(jié)劑體積的0.1%~0.6%。耐火粉為電熔氧化釔經(jīng)過破碎篩分后所得小于325目的氧化釔粉末，粘結(jié)劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌2h~5h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續(xù)攪拌6h~24h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的過渡層涂料。

（3）背層涂料的制備：稱取耐火粉、粘結(jié)劑，其中耐火粉的質(zhì)量與粘結(jié)劑的體積比（粉液比）為3~6。耐火粉為200目的莫來石粉，粘結(jié)劑為硅溶膠。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌6~12h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的背層涂料。

（4） 型殼的制備：制備面層型殼：將組樹后蠟?zāi)Ｇ逑锤蓛艉蠼氩襟E（1）制備的面層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8~16h。所用氧化釔砂為100~200目，重復(fù)制備面層型殼1~2次。制備過渡層型殼：將制備好面層型殼后的蠟?zāi)＝氩襟E（2）制備的過渡層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8~16h。所用氧化釔砂為50~100目。制備背層型殼：將制備好面層型殼后的蠟?zāi)＝氩襟E（3）制備的背層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒莫來石耐火砂，干燥4~12h。所用莫來石砂為20~50目，重復(fù)制備背層型殼3~6次。最后一層為封漿層，涂掛背層涂料后不撒砂干燥48h。

（5）型殼的脫蠟：將步驟（4）所得的型殼放入脫蠟釜中進行蒸汽脫蠟。

（6）型殼的焙燒：將步驟（5）所得脫蠟完畢后的型殼進行焙燒，焙燒后冷卻至室溫，即得鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼。

實施例1：

一種鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法，包括以下步驟：

（1）面層涂料的制備：稱取3Kg的耐火粉，量取1L的粘結(jié)劑、1mL的潤濕劑和2mL消泡劑。耐火粉為小于325目的電熔氧化釔，粘結(jié)劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌8h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續(xù)攪拌16h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的面層涂料。面層涂料制備的工作環(huán)境溫度控制在20℃，相對濕度控制在50%，面層涂料溫度控制在15℃，面層涂料控制流杯粘度為20s。

（2）過渡層涂料的制備：稱取2.5Kg的耐火粉，量取1L的粘結(jié)劑、1mL的潤濕劑和2mL消泡劑。耐火粉為小于325目的電熔氧化釔，粘結(jié)劑為碳酸鋯銨，潤濕劑為JFC，消泡劑為正辛醇。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌3h，然后再將稱取好的潤濕劑和消泡劑加入到面層涂料中，繼續(xù)攪拌6h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的過渡層涂料。過渡層涂料制備的工作環(huán)境溫度控制在20℃，相對濕度控制在50%，過渡層涂料溫度控制在15℃，過渡層涂料控制流杯粘度為16s。

（3）背層涂料的制備：稱取40Kg的耐火粉，量取10L的粘結(jié)劑。耐火粉為200目的莫來石粉，粘結(jié)劑為硅溶膠。將稱取好的耐火粉加入到粘結(jié)劑中攪拌6h，得到鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的背層涂料。背層涂料制備的工作環(huán)境溫度控制在20℃，相對濕度控制在50%，背層涂料濕度控制在15℃，背層涂料控制流杯粘度為30s。

（4）型殼的制備：制備面層型殼：將組樹后的蠟?zāi)Ｇ逑锤蓛艉蠼氩襟E（1）制備的面層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待涂料停止流動后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥12h。所用氧化釔砂為100~200目，重復(fù)制備面層型殼2次。如圖1所示為涂掛面層涂料后的蠟?zāi)?。過渡層型殼：將制備好面層型殼后的蠟?zāi)＝氩襟E（2）制備的過渡層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待流動靜止后，均勻撒氧化釔耐火砂，干燥8h。所用氧化釔砂為50~100目。制備背層型殼：將制備好面層型殼后的蠟?zāi)＝氩襟E（3）制備的背層涂料中均勻涂掛，涂掛均勻后提出，待流動靜止后，均勻撒莫來石耐火砂，干燥4h。所用莫來石砂為20~50目，重復(fù)制備背層型殼5次。如圖2所示為制備背層后正在干燥的型殼。最后一層為封漿層，涂掛背層涂料后不撒砂干燥48h。

（5）型殼的脫蠟：將步驟（4）所得的型殼放入脫蠟釜中進行蒸汽脫蠟。脫蠟壓力為0.4Mpa，脫蠟時間為5min。

（6）型殼的焙燒：將步驟（5）所得脫蠟完畢后的型殼進行焙燒，焙燒后隨爐冷卻至室溫即可制得碳酸鋯銨粘結(jié)氧化釔型殼。焙燒爐先升溫到300℃保溫1h，繼續(xù)升溫至1000℃保溫2h。即得鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼。

本發(fā)明的鈦合金精密鑄造用氧化釔型殼的制備方法采用碳酸鋯銨為粘結(jié)劑，具有很好的抗水性，因此不會出現(xiàn)遇水回溶的情況，選擇的脫蠟方法為蒸汽脫蠟，對環(huán)境無污染，所制氧化釔面層涂料涂覆性好，能夠均勻涂掛到蠟?zāi)Ｉ希旅苄院?。制備的型殼?nèi)表面光潔度高，且完全清晰地復(fù)制了鑄件蠟?zāi)５男螤睢Ｖ苽涞拿鎸有蜌ぴ诤娇蘸教祛I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，澆鑄的TA15鈦合金薄壁鑄件界面反應(yīng)層很小，僅為~0.03mm，鑄件精度高，性能優(yōu)異，便于后期精整。

上述通過具體的實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作了進一步描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。