钛熔模精铸用氧化物陶瓷型壳制壳工艺的研究

［摘要］针对钛的特性合理地选择了制壳材料的种类，研究了粉液比等工艺参数对涂料的悬浮性，涂层厚度的影响，合理地选择了面层、邻面层及背层涂料的干燥温度、湿度和时间，并确定了适宜的微波脱蜡工艺。在不同粉液比条件下，研究了室温及不同焙烧温度对型壳抗弯强度的影响，从而确定了最佳粉液比和焙烧工艺参数。采用优化的制壳工艺参数制备的型壳，内表面光洁、无裂纹等缺陷。采用水冷铜坩埚真空感应炉进行熔炼和浇注，得到了外观较好的铲形薄壁铸件，测试并分析了该铸件的表面性能。

research on oxide ceramic shell molding technology

chen yuyong,qi xiumei,tian jing,wang xiaoyun,zha weiqiang,jia jun

abstract：in this paper, the species and compositions of the top slurry are chosen through considering the characteristics of titanium investment casting. the effect of the ratios of solid to liquid on the properties of the slurry, and the effect of baking temperatures on the flexural strength and the crack resisting properties of the shells are also investigated. microwave dewaxing method is introduced with proper parameters. flawless shells having smooth inner surface are manufactured according to the best technology. ti-6al-4v is melted and

　　钛合金熔模精铸技术是为适应宇航工业的需要而发展起来的，已在宇航钛合金构件以及民用钛结构制造中得到广泛应用。实践证明，钛合金熔模精铸技术已经成为几种近无余量成形工艺中取得成效最大的一种工艺^［1～3］。随着钛合金铸件的广泛应用，对其质量和实用性要求越来越严，此外，成本的高低也是限制其应用前景的一个重要指标。石墨型虽成本低但铸件表面质量较差，同时不适于生产薄壁复杂件^［4］，而用难熔金属面层或氧化钇面层陶瓷型壳可以浇注出高质量的钛铸件，但成本却很高^［5，6］。为此研究了一种成本较低、适合于生产复杂薄壁件的用于钛合金氧化物陶瓷型熔模精铸的新型制壳工艺。

1　实验材料及实验方法

1.1　主要制壳材料

表1　钛精铸用模料的性能

性能进口蜡料自制蜡料滴点/℃69～7170.5凝固点/℃58～5960～62线收缩／％1.30.4～0.6针入度／1/10mm12～1411赵氏硬度21.119抗拉强度/mpa3.692.91粘结剂润湿角/°89～9279～82密度／g/mm³0.91～0.940.95～1灰分／％＜0.010.05

　　面层及邻面层浆料：耐火材料的主要成分为二氧化锆，尺寸为30μm以下。采用有机锆溶胶作为粘结剂，胶的尺寸与耐火材料相匹配，应为10～15nm。₂^．sio₂的锆英砂。结果表明，在铸件中未见到si元素的扩散，所以采用锆英砂是可行的。

1.2　制壳方法

2　主要制壳工艺参数的优化选择

　　在所有的制壳工艺参数中，对型壳质量并最终对铸件质量影响较大的有：面浆的成分，即粉液比，脱蜡及焙烧工艺参数^［7］，本研究针对实验室现有设备对上述参数进行了深入的研究并优化选择。

2.1　粉液比对面层涂层厚度和悬浮率的影响^［7］，这一点在本研究中也得到了证实，因此在本研究中的粉液比应控制在5.0∶1～6.0∶1之间。

表2　粉液比对涂料性能的影响

粉液比4.0∶15.0∶15.5∶16.0∶1涂料层厚度/mm0.110.250.360.65涂料的悬浮率/%88.390.193.197.6

2.2　粉液比及型壳焙烧温度对室温及高温残余强度的影响

图1　粉液比对面层残余强度的影响

　　结果表明，粉液比提高，型壳试样抗弯强度提高。焙烧温度提高，抗弯强度也随其提高。由于zro₂在1100℃附近发生相变，所以在此温度附近强度提高不显著，但由于相变过程中，晶格排列不稳定，能量提高，活性提高，所以在实际生产中应避开这一焙烧温度。在经1200℃焙烧之后，高粉液比涂料(6.5∶1)强度略有降低的原因是：由于涂层过厚，在高温焙烧过程中内部缺陷略有增加，从而影响其强度。由表2和图1的结果表明，面层材料的粉液比的最佳值为5.5∶1。而焙烧温度最好在1200℃左右，但对于小件焙烧温度也可定在1000～1050℃左右。

2.3　脱蜡工艺参数的优化选择

图2　微波强度与脱蜡时间的关系

　　图中a区，即微波强度小于70％时，脱蜡后型壳内部表面光洁，很少有残蜡，并无可见裂纹。当微波强度过大时(b区)，脱蜡后型壳虽整体完好，但内面层有少量裂纹，随微波强度增加裂纹的数量也增加，产生这种现象的原因可能是因为加热速度过快，由于内外层热膨胀系数不同而产生的内应力来不及松弛。因此本研究采用的微波强度为50％，脱蜡时间大约8min。经过其它实验表明，此脱蜡工艺不仅适用于本研究的铲形件，同样适用于其它形状和尺寸的零件。

3　熔炼、浇注及铸件表面质量分析

3.1　熔炼及浇注

　　由于钛合金熔点高、化学活性强，熔炼与浇注必须在真空或惰性气体保护下进行。本实验采用水冷铜坩埚真空感应炉进行熔炼和浇注，其主要工艺参数如表3。采用ti-6al-4v合金，所铸造的为一种航空航天构件，尺寸为150mm×100mm，厚度2.5mm，型壳预热温度300℃，重力浇注，浇注后型壳完好，没有开裂，清理后的铸件如图3所示。

表3　钛合金主要熔炼参数

浇注前真空度/mbar1.6×10^-2浇注前出水温度／℃37浇注时电流强度／a870浇注时电压／v565浇注时电功率／kw496频率／khz7.91

图3　钛合金铸件

3.2　铸件表面质量分析₂和ti₂o，产生ti₂o的原因是在高温下zro₂与ti发生反应，反应方程式如下：

zro₂+ti=zr+tio_x+o_y

zr和o向钛铸件中扩散，构成了反应层。

图4　锆的线分布和面分布探针照片　(a) 铸件显微组织;(b) 线分布;(c) 面分布

4　结论

　　(1) 采用主要成分为二氧化锆的砂和粉作为耐火材料，采用有机锆溶胶作为粘结剂，研究了一种经济有效的适合钛铸造的熔模精密铸造制壳工艺。