技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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。
发明人已发明一项
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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
发明内容
[0006] 本发明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。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] 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：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 本发明的设计原理是：
[0019] 本发明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。本发明基于模壳结构设计，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。
[0020] 本发明的优点及有益效果是：
[0021] 1.本发明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。
[0022] 2.本发明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。
[0023] 3.本发明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。
[0024] 4.本发明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。
[0025] 5.本发明用于制备模壳时，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。
[0026] 5.本发明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。
[0027] 6.本发明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。
[0028] 7.本发明方法制备模壳时，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。
[0029] 8.本发明可以用水
蒸汽进行脱蜡，方便无毒性。
附图说明
[0030] 图1-图2是采用本发明得到的γ-TiAl叶片样件及在1000lux光度下表面形貌。其中，图1是γ-TiAl叶片样件；图2是1000lux光度下表面形貌。
[0031] 图3是采用本发明得到的γ-TiAl叶片
X射线检测结果，未见明显氧化钇高密度夹杂缺陷。
[0032] 图4是
电子探针检测γ-TiAl叶片表面各元素沿横截面由表及里分布情况，结果显示叶片铸件表面没有明显的成分变化。图中，横坐标Distance from Cast Surface代表至铸件表面的距离(mm)；纵坐标Counts代表计数。
具体实施方式
[0033] 在具体实施过程中，本发明熔模铸造γ-TiAl基合金叶片模壳的制备方法，包括如下步骤：
[0034] 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，氧化钇粉为烧结态或融熔态；其中，有机溶胶为过渡元素氧化物的有机溶胶、Ti、Zr、Th过渡元素的有机金属化合物的有机溶胶或稀土元素(主要是Y或La系元素)的有机溶胶，流杯粘度为10～30秒。
[0035] 2)将上述料浆涂挂在蜡模上，撒粒度为100～16目的加固砂，干燥；如此反复7～8次，最后一层涂挂料浆，干燥；
[0036] 3)脱蜡，烧结。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600～1000℃，保温1～4小时后，冷却至室温。
[0037] 步骤1)所述料浆制备过程中，添加活性剂、消泡剂、分散剂，其中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(一般为5～10小时)，然后放置4～12小时。其中，消泡剂可以是醇类，如：正辛醇、异辛醇等，还可以为乙二醇丁醚
磷酸酯；常用的活性剂可以为JFC(聚氧乙烯烷基醇醚)、环氧化合物(如：聚氧乙烯烷基醇醚)或聚乙二醇类活性剂等，分散剂可以选择常用的无机铵类或有机铵类或混合物。
[0038] 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，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。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，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，刚玉粉、铝钒土、上店土和煤矸石粉为烧结态或融熔态。
[0039] 本发明中，干燥方法为温湿度适宜的干燥车间，干燥车间温度为22±2℃，湿度为30～70％。
[0040] 下面结合
实施例对本发明做详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
[0041] 实施例1
[0042] 本实施例中，采用320目氧化钇与钇溶胶(金属钇的有机溶胶)重量比为5.5:1，活性剂(聚氧乙烯烷基醇醚，又称JFC)的重量含量为4‰，消泡剂GP(乙二醇丁醚磷酸酯)的重量含量为2‰，分散剂的重量含量为3％，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，充分搅拌5小时，然后放置4小时，配制料浆100kg，所得料浆流杯粘度为30秒。将清洗好的蜡模组浸入料浆中5秒后取出，取出控净多余的料浆，撒100～60目刚玉砂，干燥后重复上述操作第二层，每层室温下干燥12小时，形成面层；涂挂第3～7层料浆，料浆流杯粘度为20秒，每层涂挂后撒粒度为45～24目的刚玉砂，每层室温下干燥24小时，形成加固层，加固层料浆用刚玉粉与硅溶胶按重量比3.5:1配制而成；最后一层只涂挂加固层所采用的料浆，室温下干燥时间48小时，具体工艺参数如表1。充分干燥后的蜡模用水蒸汽脱蜡，脱好蜡的模壳在室温放置6小时后进行烧结，烧结温度为1100℃，保温2小时冷却至室温，所得模壳内表面光洁，强度高。
[0043] 表1
[0044]层数 流杯粘度(秒) 温度(℃) 湿度(％) 室温(℃) 撒砂 干燥时间
1～2层 30 15～20 40～80 22±2 100～60目 12小时
3～7层 20 15～20 30～60 22±2 45～24目 24小时
8层 20 15～20 30～60 22±2 不撒砂 48小时
[0045] 将上述方法制备的模壳进行长度为300mm的Ti-46Al合金叶片的精密铸造试验。将模壳放入砂箱调正固定好，在
马弗炉中预热至950℃保温2小时。用水冷
铜坩埚感应炉熔炼γ-TiAl合金，
离心铸造γ-TiAl叶片。叶片表面光洁、无粘砂现象，在1000 lux的照度下没有肉眼可见的疏松。
[0046] 结果分析：
[0047] 如图1-图2所示，利用本发明得到的γ-TiAl叶片样件表面在1000 lux光度下观察未发现肉眼可见的表面疏松。
[0048] 如图3所示，采用本发明得到的γ-TiAl叶片在X射线探伤检测中未见到氧化钇高密度夹杂缺陷，可见本发明方法制备的模壳质量稳定，可以有效控制叶片
冶金质量。
[0049] 如图4所示，采用本发明得到的γ-TiAl叶片铸件由表面及里元素成分没有明显的
波动，表明本发明制备的模壳未与γ-TiAl合金发生界面反应。
[0050] 比较例
[0051] 用常规的方法制备氧化钇模壳进行浇铸Ti-46Al合金叶片试验，将模壳放入砂箱调正固定好，在马弗炉中预热至950℃保温2小时。用水冷铜坩埚感应炉熔炼γ-TiAl合金，离心铸造纯钛的拉伸试棒，以与实施例1进行比较。结果发现，叶片表面粘砂严重，存在严重的表面疏松，表明此发明明显改善叶片表面质量。
[0052] 实施例2
[0053] 与实施例1不同之处是：
[0054] 本实施例中，采用300目氧化钇粉与钇溶胶(金属钇的有机溶胶)重量比为6:1，活性剂(聚氧乙烯烷基醇醚)的重量含量为3‰，消泡剂(异辛醇)的重量含量为2‰，分散剂的重量含量为2％，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，充分搅拌8小时，然后放置8小时，配制料浆100kg，所得料浆流杯粘度为35秒。将清洗好的蜡模组浸入料浆中4秒后取出，取出控净多余的料浆，撒100～65目刚玉砂，干燥后重复上述操作第二层，每层室温下干燥10小时，形成面层；涂挂第3～7层料浆，料浆流杯粘度为25秒，每层涂挂后撒粒度为45～24目的刚玉砂，每层室温下干燥20小时，形成加固层，加固层料浆用刚玉粉与硅溶胶按重量比3:1配制而成；最后一层涂挂加固层所采用的料浆，室温下干燥时间40小时，具体工艺参数如表1。充分干燥后的蜡模用水蒸汽脱蜡，脱好蜡的模壳在室温放置4小时后进行烧结，烧结温度为1000℃，保温4小时冷却至室温，所得模壳内表面光洁，强度高。
[0055] 实施例3
[0056] 与实施例1不同之处是：
[0057] 本实施例中，采用325目氧化钇粉与锆溶胶(金属锆的有机溶胶)重量比为4:1，活性剂(聚异丙二醇醚)的重量含量为1‰，消泡剂(正辛醇)的重量含量为1‰，分散剂的重量含量为4％，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，充分搅拌6小时，然后放置12小时，配制料浆10kg，所得料浆流杯粘度为22秒。将清洗好的蜡模组浸入料浆中3秒后取出，取出控净多余的料浆，撒100～65目氧化钇砂，干燥后重复上述操作第二层，每层室温下干燥15小时，形成面层；涂挂第3～7层料浆，料浆流杯粘度为15秒，每层涂挂后撒粒度为24～16目的刚玉砂，每层室温下干燥30小时，形成加固层，加固层料浆用刚玉粉与硅溶胶按重量比4:1配制而成；最后一层涂挂加固层所采用的料浆，室温下干燥时间60小时，具体工艺参数如表1。充分干燥后的蜡模用水蒸汽脱蜡，脱好蜡的模壳在室温放置10小时后进行烧结，烧结温度为950℃，保温1小时冷却至室温，所得模壳内表面光洁，强度高。
[0058] 实施例和比较例结果表明，本发明制备模壳工艺简单，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，此发明不仅限于精密铸造TiAl叶片，同样适合于浇注TiAl基合金其它结构件。
