一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法

2023-10-16 23:08:54

專利名稱：一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種鑄造方法。
背景技術：
由於高溫鈦合金具有較高的使用溫度、高溫強度、較好的抗氧化性能、抗蠕變性能、抗疲勞性能等，在飛機發動機和火箭推進系統所用的新一代高溫結構材料中以明顯的 優勢而備受航空航天界材料工作者們的重視，已成為新一代高溫結構材料的研究方向和發 展趨勢之一。隨著航空工業的進一步發展，鈦合金在飛機上的使用將越來越多。多用於制 造航空發動機中要求強度高與耐熱性好的重要零部件和飛機機體結構件。美國大型複雜的發動機中間機匣式風扇框架已經採用Ti-6242高溫鈦合金精鑄件，就是採用精密鑄造方法製備的，但是該Ti-6242高溫鈦合金精鑄件的工作溫度僅為 450°C左右，工作溫度低。美國Howmet公司與波音公司今年對550°C以上使用的高溫鈦 合金的鑄造性能進行了系統的評價，認為採用合適的陶瓷型殼，並經過熱處理和熱等靜壓 處理獲得的精鑄件的力學性能有望接近於Ti-6A1-4V合金，現已開始進行發動機鑄件的 應用研究，例如該方法製備的成分為Ti-6-2-4-2的高溫鈦合金鑄件，雖然性能比較高，但 是該高溫鈦合金的最高使用溫度僅為450°C ；Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系的高溫鈦合金可以在 550°C飛00°C條件下使用，但是該合金系目前多以鑄錠、板材、鍛件的形式應用，特別是以鍛 造為主。對於形狀複雜的零件，存在設計周期長，成本高，難以成形的問題。

發明內容
本發明的目的是為了解決現有的方法製備工藝複雜、成本高、很難得到形狀複雜的高溫鈦合金零件的問題，而提供了一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法。本發明基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照以下步驟進行一、快速制模得到蠟膜；二、蠟膜表面塗掛廣2層的面層和5 7層的背層即得到型殼，其中，面層塗料由 醋酸鋯和氧化釔粉按照纊2. 6 1的質量比組成，背層由矽溶膠和煤矸粉按照1.廣1.8 1 的質量比組成；三、步驟一的型殼在85(T110(TC條件下焙燒0. 5 2h;四、步驟三中焙燒後 的型殼放入到離心鑄鈦機，然後將鈦合金熔煉後澆注到型殼中進行離心鑄造，冷卻至室 溫即得到鈦合金鑄件；四、鈦合金鑄件經過清殼、噴砂、退火和精整後，在熱等靜壓溫度為 85(Γ1150 、熱等靜壓力為10(Tl50MPa的條件下，保壓0. 5、小時，即實現了高溫鈦合金的 精密鑄造。本發明的方法中以醋酸鋯和氧化釔粉作為面層，而以矽溶膠和煤矸粉作為背層，在適當條件下進行焙燒，而後再經過鑄造，成功實現了高溫鈦合金的精密鑄造，本發明對制 備條件的要求較低，製備工藝簡單，且材料的利用率高，降低了生產成本低，本發明的方法 具有近淨成形的優點，能夠實現批量生產，並且能夠製備得到形狀複雜的高溫鈦合金零件， 本發明方法製備得到的高溫鈦合金的工作溫度為550°C飛00°C，耐高溫性能好。本發明的方法提供了一種快速靈活設計製備複雜形狀的高溫鈦合金鑄件的製備方法。
具體實施例方式
本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。
具體實施方式
一本實施方式基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照以 下步驟進行一、快速制模得到蠟膜；二、蠟膜表面塗掛廣2層的面層和5 7層的背層即得 到型殼，其中，面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照纊2.6 1的質量比組成，背層由矽溶 膠和煤矸粉按照1. Γ1. 8 1的質量比組成；三、步驟一的型殼在85(T110(TC條件下焙燒 0. 5^2h ；四、步驟三中焙燒後的型殼放入到離心鑄鈦機，然後將鈦合金熔煉後澆注到型殼中 進行離心鑄造，冷卻至室溫即得到鈦合金鑄件；四、鈦合金鑄件經過清殼、噴砂、退火和精整 後，在熱等靜壓溫度為85(T115(TC、熱等靜壓力為10(Tl50MPa的條件下，保壓0. 5、小時， 即實現了高溫鈦合金的精密鑄造。本實施方式步驟一中快速制模的方法是先利用計算機對高溫鈦合金鑄件三維成 形設計，將設計文件導入快速成型機製造零件蠟模，快速制模材料採用聚苯乙烯粉，制模後 用2000目砂紙進行打磨，以增加蠟模的光潔度；然後再採用中溫蠟製作澆注系統，將澆注 系統和已制蠟模粘結在一起，將制好的模樹在蠟模清洗液中往返振動，約10-18秒。其中， 蠟模清洗液為乙醇、丙酮、正辛醇或洗衣粉液。本實施方式中步驟一中面層漿料製備時將原料混合攪拌24 36h.，即得到面層漿 料。本實施方式中步驟一中背層的漿料製備時將原料混合攪拌12 24h，即得到背層漿 料。本實施方式中步驟一中的醋酸鋯、氧化釔粉、矽溶膠和煤矸粉均可從市場上購買 得到，其中氧化釔粉粒度80 320目，煤矸砂粒度3(Γ60目。本實施方式步驟四中噴砂後切割去除澆注系統，然後再退火。本實施方式中以醋酸鋯和氧化釔粉作為面層，而以矽溶膠和煤矸粉作為背層，在 適當條件下進行焙燒，而後再經過鑄造，成功實現了高溫鈦合金的精密鑄造，本實施方式對 製備條件的要求較低，製備工藝簡單，且材料的利用率高，降低了生產成本低，本發明的方 法具有近淨成形的優點，能夠實現批量生產，並且能夠製備得到形狀複雜的高溫鈦合金零 件。本實施方式方法根據所使用原料的不同，可實現以下高溫鈦合金的批量製備 Ti-1100 (成分為 Ti-6Al-2. 75Sn-4Zr_0. 4Mo_0. 45Si)，IMI834 (成分為 Ti_5. 8Al-4Sn_3. 5 Zr-0. 7Nb-0. 5M-0. 135Si)，T36(成分為 Ti_6. 2Al-2Sn_3. 6Zr-0. 7Mo_0. 1Y-5. Off-O. 15Si)， Ti60 (成分為 Ti-5. 8A1-4. 8Sn_2. 0Zr_l. OMo-O. 135Si_0. 85Nd)，且可以製備得到形狀複雜 的高溫鈦合金零件，使用溫度均達到550°C飛00°C，耐高溫性能好。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中蠟膜表面塗 掛1層的面層和7層的背層。其他步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中蠟膜表面塗 掛2層的面層和5層的背層。其他步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中面 層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 2 2. 4 1的質量比組成。其他步驟及參數與具體實施
方式一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中面 層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 3 1的質量比組成。其他步驟及參數與
具體實施例方式
一至三之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中面 層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 2 1的質量比組成。其他步驟及參數與
具體實施例方式
一至三之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟一中面 層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 4 1的質量比組成。其他步驟及參數與
具體實施例方式
一至三之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟一中背 層由矽溶膠和煤矸粉按照1.3 1.6 1的質量比組成。其他步驟及參數與具體實施方式
一 至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟一中背 層由矽溶膠和煤矸粉按照1.4 1的質量比組成。其他步驟及參數與具體實施方式
一至七 之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟一中 背層由矽溶膠和煤矸粉按照1.35 1的質量比組成。其他步驟及參數與具體實施方
式一至七之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟一中 背層由矽溶膠和煤矸粉按照1.6 1的質量比組成。其他步驟及參數與具體實施方式
一至 七之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟二 中型殼在89(T105(TC件下焙燒0. 9^1. 5h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至七之一相 同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟二 中型殼在1000°C件下焙燒1. 2h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟二 中型殼在890°C件下焙燒1. 5h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
一至十一之一不同的是步驟二 中型殼在1050°C件下焙燒0.9h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
一至十五之一不同的是步驟三 中離心鑄造時20(T400rpm。其他步驟及參數與具體實施方式
一至十五之一相同。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟四 中退火溫度為70(T80(TC，保溫廣3h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟四 中退火溫度為73(T780°C，保溫1. 5^2. 5h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟四 中退火溫度為750°C，保溫2h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
二十本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟四 中退火溫度為780°C，保溫2. 5h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
二十一本實施方式與具體實施方式
一至十六之一不同的是步驟 四中退火溫度為730°C，保溫1. 5h。其他步驟及參數與具體實施方式
一至十六之一相同。
具體實施方式
二十二 本實施方式與具體實施方式
一至二十一之一不同的是步 驟四中熱等靜壓溫度為90(Tl00(rC、熱等靜壓力為ll(Tl40MPa的條件下，保壓時間2 3小 時。其他步驟及參數與具體實施方式
一至二十一之一相同。
具體實施方式
二十三本實施方式與具體實施方式
一至二十一之一不同的是步驟四中熱等靜壓溫度為950°C、熱等靜壓力為135MPa的條件下，保壓2. 5小時。其他步驟及
參數與具體實施方式
一至二十一之一相同。
具體實施方式
二十四本實施方式與具體實施方式
一至二十一之一不同的是步 驟四中熱等靜壓溫度為900°C、熱等靜壓力為140MPa的條件下，保壓3小時。其他步驟及參
數與具體實施方式
一至二十一之一相同。
具體實施方式
二十五本實施方式與具體實施方式
一至二十一之一不同的是步 驟四中熱等靜壓溫度為1000°c、熱等靜壓力為IlOMPa的條件下，保壓2小時。其他步驟及
參數與具體實施方式
一至二十一之一相同。
具體實施方式
二十六本實施方式具體實施方式
一至二十五之一不同的是步驟 一中蠟膜表面塗掛2層的面層，第一層至第二層面層塗料由醋酸鋯和氧化釔砂粉料按照 2.3 1的質量比混合組成，第一層面層塗料的乾燥溫度為22 26°C，溼度為509Γ70%，乾燥 時間為纊10h，第二層面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉料按照2. 3 1的質量比混合組成，第 一層面層塗料的乾燥溫度為22 26°C，溼度為50% 70%，乾燥時間為12 14h ；蠟膜表面塗掛 上5層的背層，第一層至第五層背層塗料由矽溶膠和煤矸粉按照1. 6 1的質量比混合組成， 第一層背層塗料的乾燥溫度為22 26°C，溼度為40%飛0%，乾燥時間為15 16h，風速為3 5m/ s,第一層到第五層背層塗料的乾燥溫度為22 26°C，溼度為30% 50%，乾燥時間為16 20h， 風速為6、m/s。其他步驟及參數與具體實施方式
一至二十五之一相同。
具體實施方式
二十七本實施方式基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照 以下步驟進行一、快速制模得到蠟膜；二、蠟膜表面塗掛2層的面層和5層的背層即得到 型殼，其中，面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 3 1的質量比組成，背層由矽溶膠和煤 矸粉按照1.6 1的質量比組成；三、步驟一的型殼在900°C條件下焙燒1.5h;四、步驟三 中焙燒後的型殼放入到離心鑄鈦機，然後將鈦合金熔煉後澆注到型殼中進行離心鑄造，冷 卻至室溫即得到鈦合金鑄件；四、鈦合金鑄件經過清殼、噴砂、退火和精整後，在熱等靜壓溫 度為1000°C、熱等靜壓力為120MPa的條件下，保壓2小時，即實現了高溫鈦合金的精密鑄 造。
本實施方式步驟一中快速制模的方法是先利用計算機對高溫鈦合金鑄件三維成 形設計，將設計文件導入快速成型機製造零件蠟模，快速制模材料採用聚苯乙烯粉，制模後 用2000目砂紙進行打磨，以增加蠟模的光潔度；然後再採用中溫蠟製作澆注系統，將澆注 系統和已制蠟模粘結在一起，將制好的模樹在蠟模清洗液中往返震動，約10-18秒。其中，蠟模清洗液為乙醇、丙酮、正辛醇或洗衣粉液。本實施方式步驟一中蠟膜表面塗掛2層的面層，第一層至第二層面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉料按照2. 3 1的質量比混合組成，第一層面層塗料的乾燥溫度為24°C，溼 度為60%，乾燥時間為9h，第二層面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉料按照2. 3 1的質量比混 合組成，第一層面層塗料的乾燥溫度為24°C，溼度為60%，乾燥時間為13h ；蠟膜表面塗掛上 5層的背層，第一層至第五層背層塗料由矽溶膠和煤矸粉按照1. 6 1的質量比混合組成，第 一層背層塗料的乾燥溫度為22 26°C，溼度為50%，乾燥時間為15h，風速為4m/s，第一層到 第五層背層塗料的乾燥溫度為24°C，溼度為40%，乾燥時間為18h，風速為7m/s。本實施方式製備得到的高溫鈦合金的工作溫度為550°C飛00°C，耐高溫性能好。
權利要求
一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特徵在於基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照以下步驟進行∶一、快速制模得到蠟膜；二、蠟膜表面塗掛1~2層的面層和5~7層的背層即得到型殼，其中，面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2~2.6∶1的質量比組成，背層由矽溶膠和煤矸粉按照1.1~1.8∶1的質量比組成；三、步驟一的型￡3在850~1100℃條件下焙燒0.5~2h；四、步驟三中焙燒後的型殼放入到離心鑄鈦機，然後將鈦合金熔煉後澆注到型殼中進行離心鑄造，冷卻至室溫即得到鈦合金鑄件；四、鈦合金鑄件經過清殼、噴砂、退火和精整後，在熱等靜壓溫度為850~1150℃、熱等靜壓力為100~150MPa的條件下，保壓0.5~4小時，即實現了高溫鈦合金的精密鑄造。
2.根據權利要求1所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特徵在於 步驟一中蠟膜表面塗掛2層的面層和5層的背層。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特徵 在於步驟一中面層塗料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 2 2. 4 1的質量比組成。
4.根據權利要求3所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特徵在於 步驟一中背層由矽溶膠和煤矸粉按照1.3 1. 6 1的質量比組成。
5.根據權利要求1、2或4所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特 徵在於步驟二中型殼在89(Tl050°C件下焙燒0. 9 1. 5h。
6.根據權利要求5所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特徵在於 步驟三中離心鑄造時離心轉速為20(T400rpm。
7.根據權利要求1、2、4或6所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其 特徵在於步驟四中退火溫度為70(T80(TC，保溫廣3h。
8.根據權利要求7所述的一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特徵在於 步驟四中熱等靜壓溫度為90(T100(TC、熱等靜壓力為ll(Tl40MPa的條件下，保壓2 3小時。
全文摘要
一種基於快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，它涉及一種鑄造方法。本發明解決了現有的方法製備工藝複雜、成本高、很難得到形狀複雜的高溫鈦合金零件的問題。方法一、快速制模得到蠟膜；二、製備型殼；三、焙燒；四、澆注高溫鈦合金鑄件；五、後處理，經過清殼、噴砂、退火、精整、保壓即得到高溫鈦合金鑄件。本發明的製備工藝簡單，成本低，設計靈活，可批量生產，能夠得到形狀複雜的高溫鈦合金零件。
文檔編號C22F1/18GK101797629SQ20101016020
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者孔凡濤, 田竟, 肖樹龍, 趙而團, 陳玉勇 申請人:哈爾濱工業大學