一种用于TiAl基合金精密铸造或定向凝固的模壳及制备该模
壳的方法
技术领域
背景技术
[0002] TiAl基金属间化合物具有熔点高(1460℃)、
密度低(3.9-4.2g/cm3)、高温强度优良、抗蠕变及抗
氧化等优点，是850℃～1050℃
温度区间内唯一候选的减重结构材料，在航空
发动机领域有非常好的应用前景。TiAl基合金熔模精密铸造技术可实现任意形状零部件的近无余量甚至无余量整体成形，是制备TiAl基合金零部件的首选方法。研究表明，TiAl基合金的性能对组织非常敏感，采用定向凝固技术控制初生相的取向和
片层生长方向，可获得具有最佳综合性能的合金组织。采用定向凝固精密铸造技术对TiAl基合金进行制备，不仅能控制晶粒的取向，得到具有最佳综合性能的合金组织，还可以实现
叶片类复杂铸件的
近净成形，对于提高发动机的性能、降低生产成本具有重要意义。然而，TiAl基合金熔体具有很高的化学活性，精密铸造或定向凝固过程中容易与
型壳材料发生反应，对合金造成污染，这限制了精密铸造或定向凝固精密铸造技术在TiAl基合金中的应用。
发明内容
[0003] 本发明针对TiAl基合金的高活性及精密铸造或定向凝固工艺的要求，为了消除或降低精密铸造或定向凝固过程中TiAl基合金与模壳材料间的反应，制备表面及内部无污染的TiAl基合金部件。
[0004] 本发明提出一种适用于TiAl基合金精密铸造或定向凝固的模壳，该模壳
焙烧后的
面层和临面层成分为Y2O3与Y3Al5O12、Y4Al2O9和YAlO3三种钇
铝氧化物中的至少一种。该模壳的使用温度为1500～1800℃，可用于TiAl基合金的精密铸造或定向凝固。
[0005] 本发明采用熔模精密铸造工艺制备用于TiAl基合金精密铸造或定向凝固的模壳的方法，具体步骤如下：
[0007] 惰性层浆料由氧化钇粉、氧化铝粉、铝溶胶、分散剂、消泡剂、
表面活性剂组成，其中，氧化钇粉和氧化铝粉占浆料总重量的45～85％，氧化铝粉占氧化钇粉和氧化铝粉总重量的比例不高于30％；铝溶胶占料浆总重量的14％～54％，消泡剂占料浆总重量的0.01％～1％、分散剂占料浆总重量的0.01～1％，表面活性剂占料浆总重量的0.01％～1％；并且铝溶胶、氧化钇粉、氧化铝粉、消泡剂、分散剂和表面活性剂的总量之和为100％；
[0008] 步骤二：配制模壳过渡层浆料及背层浆料
[0009] 过渡层浆料及背层浆料均由氧化铝粉、铝溶胶、分散剂、消泡剂和表面活性剂组成，其中，氧化铝粉占料浆总重的45～85％，铝溶胶占料浆总重的14～54％，消泡剂占料浆总重的0.01％～1％，分散剂占料浆总重量的0.01～1％，表面活性剂占料浆总重量的0.01～1％；并且氧化铝粉、铝溶胶、消泡剂、分散剂和表面活性剂的总量之和为100％；
[0010] 步骤三：制备模壳惰性层
[0011] 将形状为铸件形状的蜡模浸入步骤一制得的惰性层浆料中3～15s后取出，均匀撒上电熔氧化钇砂，干燥8～24h；重复上述挂浆、撒砂和干燥过程2～4次，形成模壳惰性层；
[0012] 步骤四：制备模壳过渡层
[0013] 将步骤三制备好的模壳惰性层浸入步骤二制得的过渡层浆料中3～20s后取出，均匀撒上电熔白刚玉砂，干燥7～20h；并重复该挂浆、撒砂和干燥过程1～3 次；
[0014] 步骤五：制备模壳背层
[0015] 将步骤四制备好的模壳过渡层浸入步骤二制得的背层浆料中3～20s后取出，均匀撒上电熔白刚玉砂，干燥7～15h；并重复该挂浆、撒砂和干燥过程3～7次，最后一层只挂浆不撒砂，制备完成后干燥8～36h，制得模壳预成型件；
[0016] 步骤六：脱蜡
[0017] 将步骤五中制得的模壳预成型件置于温度为200～500℃脱蜡炉内，脱蜡5～25 分钟，制得模壳生坯；
[0018] 步骤七：焙烧
[0019] 将步骤六中脱蜡后的模壳生坯放入
电阻炉内进行焙烧，设定升温速率为0.2～6℃/min，焙烧温度为1000℃～1800℃，并在1000℃～1800℃条件下保温1h～6h，然后随炉冷却至室温后取出，制得用于TiAl基合金精密铸造或定向凝固的模壳。
[0020] 消泡剂是正辛醇、正戊醇、有机
硅树脂中的一种；分散剂是OP-10、JFC、 OP-7中的一种。
[0021] 步骤一中配置惰性层料浆中所用氧化钇粉、氧化铝粉的粒度均为200～500 目，惰性层料浆流杯
粘度为20～100s(室温)。
[0022] 步骤二中配置过渡层和背层料浆中氧化铝粉的粒度为200～400目，过渡层及背层料浆流杯粘度为18～80s(室温)。
[0023] 步骤三中所述的电熔氧化钇砂的粒度为30～180目，模壳的干燥温度为 18～30℃，
相对湿度为40～90％。
[0024] 步骤四中所述的电熔白刚玉砂的粒度为20～120目，模壳干燥温度为18～30℃，相对湿度为35～80％。
[0025] 步骤五中所述的电熔白刚玉砂的粒度15～100目，模壳的干燥温度为 18～30℃，相对湿度为30～70％。
[0026] 本发明技术方案中，氧化钇、氧化铝以及氧化钇与氧化铝焙烧生成的Y3Al5O12、 Y4Al2O9和YAlO3等钇铝氧化物具有优良的耐热、耐
腐蚀和高温
稳定性，因此氧化钇、氧化铝粉适合做精密铸造或定向凝固模壳的面层耐火材料，铝溶胶适合做面层粘结剂。
[0027] 本发明的优点是：(1)本发明所涉及的模壳面层和临面层浆料以铝溶胶为粘结剂、以高纯电熔氧化钇粉和电熔白刚玉粉为耐火填料，焙烧后型壳面层成分为氧化钇和Y3Al5O12、Y4Al2O9和YAlO3三种钇铝氧化物中的至少一种，化学稳定性好，与合金熔体间的反应微弱，精密铸造或定向凝固所得合金铸件表面光洁，表面
质量良好。(2)本发明过渡层和背层材料为电熔白刚玉，具有熔点高、尺寸稳定、价格便宜、
热膨胀系数小等优点。(3)模壳浆料性能稳定，涂挂及流动性能好，易于保存，所制备的模壳具有化学稳定性高、高温强度、抗热震性和高温抗蠕变性优良等特点，定向凝固得到的TiAl合金表面光洁，污染层薄。在对TiAl基合金进行精密铸造或定向凝固过程中，该模壳不发生开裂和
变形，没有漏液。
具体实施方式
[0028] 下面将结合
实施例对本发明做进一步的详细说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0029] 本发明的一种TiAl基合金精密铸造或定向凝固模壳，焙烧后的主要成分为Y2O3 和钇铝氧化物。本发明的TiAl基合金精密铸造或定向凝固模壳，充分利用了氧化钇和氧化铝两种材料在低温和高温下的特性，通过对材料的设计和制备工艺的优化，焙烧后的型壳主要成分为Y2O3和Y3Al5O12、Y4Al2O9和YAlO3三种钇铝氧化物中的至少一种，不仅具有良好的化学稳定性、优良的高温强度、高温抗蠕变性和抗热震性，且价格适中。
[0030] 实施例1：
[0031] Ti-47Al-2Cr-2Nb(at.％)合金精密铸造模壳及制备方法
[0032] 步骤一：配制模壳惰性层料浆
[0033] 料浆由氧化钇粉、氧化铝粉、铝溶胶、分散剂、表面活性剂和消泡剂组成，其中，氧化钇粉和氧化铝粉占料浆总重量的60％，Al2O3粉占粉体总量的比率为 30％。铝溶胶占料浆总重量的39％，消泡剂占料浆总重量的0.4％、分散剂占料浆总重量的0.4％，表面活性剂占料浆总重量的0.2％。
[0034] 该步骤配制惰性层料浆所用氧化钇粉的粒度为280目，氧化铝粉的粒度为 500目，面层及临面层料浆流杯粘度为55s。消泡剂是正辛醇；分散剂是聚
丙烯酸铵；表面活性剂是JFC。
[0035] 步骤二：制备模壳惰性层
[0036] 将形状为铸件形状的蜡模浸入步骤一所制得的料浆中5s后取出，均匀撒上电熔氧化钇砂，干燥24h。重复上述挂浆、撒砂和干燥过程2次，形成模壳惰性层；
[0037] 该步骤所述电熔氧化钇砂的粒度为80目，干燥温度为25℃，相对湿度为65％。
[0038] 步骤三：配制模壳过渡层料浆
[0039] 料浆由氧化铝粉、铝溶胶、分散剂、表面活性剂和消泡剂组成，其中，氧化铝粉占料浆总重的80％，铝溶胶占料浆总重的19％，消泡剂占料浆总重的0.4％，分散剂占料浆总重量的0.3％，表面活性剂占料浆总重量的0.3％。
[0040] 该步骤配置过渡层料浆所用氧化铝粉的粒度为260目，背层料浆流杯粘度为 60s。消泡剂是正辛醇；分散剂是聚丙烯酸铵；表面活性剂为JFC。
[0041] 步骤四：制备模壳过渡层
[0042] 将制备好的模壳惰性层浸入步骤三中所制得的过渡层料浆中7s后取出，均匀撒上电熔白刚玉砂，干燥15h，并重复该挂浆、撒砂和干燥过程1次。
[0043] 该步骤中所述电熔白刚玉砂的粒度为50目，干燥温度为25℃，相对湿度为 60％。
[0044] 步骤五：配制模壳背层料浆
[0045] 料浆由氧化铝粉、铝溶胶、分散剂和消泡剂组成，其中，氧化铝粉占料浆总重的76％，铝溶胶占料浆总重的23％，消泡剂占料浆总重的0.4％，分散剂占料浆总重量的
0.3％，表面活性剂占料浆总重量的0.3％。
[0046] 该步骤配置背层料浆所用氧化铝粉的粒度为260目，背层料浆流杯粘度为 50s。消泡剂是正辛醇；分散剂是聚丙烯酸铵；表面活性剂为OP-10。
[0047] 步骤六：制备模壳背层
[0048] 将制备好的模壳过渡层浸入步骤五所制得的背层料浆中8s后取出，均匀撒上电熔白刚玉砂，干燥12h，并重复该挂浆、撒砂和干燥过程3次，最后一层只挂浆不撒砂，制壳完成后干燥36h，制得模壳预成型件。
[0049] 该步骤所述电熔白刚玉砂的粒度为25目，干燥温度为25℃，相对湿度为55％。
[0050] 步骤七：脱蜡
[0051] 将步骤六中干燥好的模壳预成型件置于温度为500℃脱蜡炉内，脱蜡10分钟，制得模壳生坯。
[0052] 步骤八：焙烧
[0053] 将步骤七中制得的模壳生坯放入电阻炉内进行焙烧，设定升温速率为2℃ /min，焙烧温度为1100℃，并在1100℃条件下保温4h，然后随炉冷却至25℃后取出，制得TiAl合金精密铸造用的模壳。焙烧后面层的成分为Y2O3、Y4Al2O9和 YAlO3的混合物。
[0054] 将实施例1制得的模壳放入
真空感应炉中，Ti-47Al-2Cr-2Nb(at.％)合金的熔炼温度为1600℃，
浇注温度为1500℃。浇注后随炉冷却，取出。经观察，合金铸件表面光洁，没有发生粘砂现象。同时采用扫描电镜对实施例1模壳进行观察，未发现里层出现裂纹。
[0055] 实施例2：
[0056] Ti-46Al-8Nb(at.％)合金定向凝固模壳及制备方法；
[0057] 步骤一：配制模壳惰性层料浆
[0058] 料浆由氧化钇粉、氧化铝粉、铝溶胶、分散剂、表面活性剂和消泡剂组成，其中，氧化钇粉和氧化铝粉占料浆总重量的80％，Al2O3粉占粉体总量的比率为 10％。铝溶胶占料浆总重量的19％，消泡剂占料浆总重量的0.3％、分散剂占料浆总重量的0.5％，表面活性剂占料浆总重量的0.2％。
[0059] 该步骤配制惰性层料浆所用氧化钇粉的粒度为320目，氧化铝粉的粒度为 400目，面层及临面层料浆流杯粘度为80s。消泡剂是正辛醇；分散剂是聚丙烯酸铵；表面活性剂是OP-10。
[0060] 步骤二：制备模壳惰性层
[0061] 将形状为铸件形状的蜡模浸入步骤一所制得的料浆中5s后取出，均匀撒上电熔氧化钇砂，干燥24h。重复上述挂浆、撒砂和干燥过程3次，形成模壳惰性层；
[0062] 该步骤所述电熔氧化钇砂的粒度为80目，干燥温度为25℃，相对湿度为62％。
[0063] 步骤三：配制模壳过渡层料浆
[0064] 料浆由氧化铝粉、铝溶胶、分散剂、表面活性剂和消泡剂组成，其中，氧化铝粉占料浆总重的70％，铝溶胶占料浆总重的29％，消泡剂占料浆总重的0.3％，分散剂占料浆总重量的0.5％，表面活性剂占料浆总重量的0.2％。
[0065] 该步骤配置过渡层料浆所用氧化铝粉的粒度为300目，背层料浆流杯粘度为 50s。消泡剂是正辛醇；分散剂是聚丙烯酸铵；表面活性剂为OP-10。
[0066] 步骤四：制备模壳过渡层
[0067] 将制备好的模壳惰性层浸入步骤三中所制得的过渡层料浆中7s后取出，均匀撒上电熔白刚玉砂，干燥15h，并重复该挂浆、撒砂和干燥过程2次。
[0068] 该步骤中所述电熔白刚玉砂的粒度为50目，干燥温度为25℃，相对湿度为 60％。
[0069] 步骤五：配制模壳背层料浆
[0070] 料浆由氧化铝粉、铝溶胶、分散剂和消泡剂组成，其中，氧化铝粉占料浆总重的65％，铝溶胶占料浆总重的34％，消泡剂占料浆总重量的0.3％，分散剂占料浆总重量的
0.4％，表面活性剂占料浆总重量的0.3％。
[0071] 该步骤配置背层料浆所用氧化铝粉的粒度为260目，背层料浆流杯粘度为40s。消泡剂是正辛醇；分散剂是聚丙烯酸铵；表面活性剂为OP-10。
[0072] 步骤六：制备模壳背层
[0073] 将制备好的模壳过渡层浸入步骤五所制得的背层料浆中8s后取出，均匀撒上电熔白刚玉砂，干燥10h，并重复该挂浆、撒砂和干燥过程2次，最后一层只挂浆不撒砂，制壳完成后干燥36h，制得模壳预成型件。
[0074] 该步骤所述电熔白刚玉砂的粒度为35目，干燥温度为25℃，相对湿度为55％。
[0075] 步骤七：脱蜡
[0076] 将步骤六中干燥好的模壳预成型件置于温度为500℃脱蜡炉内，脱蜡10分钟，制得模壳生坯。
[0077] 步骤八：焙烧
[0078] 将步骤七中制得的模壳生坯放入电阻炉内进行焙烧，设定升温速率为2℃ /min，焙烧温度为1650℃，并在1650℃条件下保温4h，然后随炉冷却至25℃后取出，制得Ti-46Al-8Nb(at.％)合金定向凝固用的模壳。焙烧后面层的成分为 Y2O3和Y3Al5O12的混合物。
[0079] 将实施例2制得的模壳放入悬浮区熔法真空定向凝固炉中，先抽炉内真空度至2.5×10-3Pa后，再充入高纯氩气，使炉内真空度达0.5×105Pa；然后在最高加热温度1600℃，抽拉速度为6mm/min条件下，制备具有定向凝固组织的 Ti-46Al-8Nb(at.％)合金。待制备完成后，取出。目测检查实施例2制得的定向凝固模壳使用后无裂缝，铸件表面光洁，没有粘砂现象。XRD检测发现定向凝固模壳内表面及定向凝固合金组织中无新相生成。说明实施例2制得的模壳保证了Ti-46Al-8Nb(at.％)定向凝固合金的洁净度和合金质量。
