一种钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法

1.本发明属于快速铸造相关技术领域，更具体地，涉及一种钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法。


背景技术：

2.钛合金因其高强度、耐高温、耐腐蚀的特性，在航空航天领域广泛应用，目前的钛合金生产工艺主要为熔模精密铸造，又称“失蜡铸造”或者“消失模铸造”。然而，钛合金型壳制作工艺的过程复杂，生产周期长且成本较高，已无法满足现代设备对企业产品多样化和市场快速响应的需求，只适用于零件的大批量生产。
3.在单件或者小批量生产领域，气动重力挤出成型技术具有显著的优势，其生产效率高、周期短、工艺简单，且可以自由设计型壳的空间结构，采用气动重力挤出成型直接打印型壳以取代传统的蜡模制壳，可以有效缩短研发周期，降低研发成本，使得企业能更快地响应市场需求。
4.专利文献cn2019611082924.x公开了一种大型钛合金熔模精密铸造用模型及型壳的制备方法，在此方法虽然引入了3d打印技术，但并未直接打印型壳，工艺流程复杂且成本较高。又如专利文献cn201910627381.9公开了一种钛合金铸造的三维打印陶瓷型壳的制备方法，采用喷墨粘接三维打印直接打印型壳，但对于型壳面层材料依然需涂覆处理，并未有型壳一体化的研究。此外，专利文献cn201910691963.3公开了一种陶瓷/金属一体化零件的铸造方法，但没有对精密铸造的陶瓷型壳进行系统化的研究。
5.上述方法虽然对于钛合金铸造型壳具有一定创新，但是成本较高、工艺过程较复杂，无法快速响应高速发展的市场需求。因此，需要找到一种生产效率高、制备成本低且构件性能优异的钛合金精密铸造用陶瓷型壳的制备方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法，所述制备方法采用两种材料同时打印陶瓷型壳的面层与背层，以得到不同厚度、不同透气性与致密度、不同表面粗糙度与尺寸精度的复合型壳，并通过打印的复合型壳，结合紧密铸造技术浇注出性能优良的钛合金铸件。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
8.首先，将待制备的陶瓷型壳分为面层与背层两部分；接着，分别以氧化钇浆料及氧化铝浆料作为面层材料及背层材料，并以双头协同打印、分层气动重力挤出的成型方法同时打印面层与背层，进而得到面层与背层一体化的陶瓷型壳。
9.进一步地，根据待制备的陶瓷型壳的面层与背层结构进行分层，且划分得到的面层与背层是相连的，并建立一体化的三维模型，同时将三维模型参数导入双头打印机。
10.进一步地，所述氧化钇浆料是采用800～1000目氧化钇粉为主体材料、2％甲基纤
维素为粘结剂、30％聚丙烯酸铵水溶液为分散剂，并加入氨水以调节ph到10～12，而后加入氧化钙作为烧结助剂，并采用180rpm的转速球磨12h得到的。
11.进一步地，所述氧化铝浆料是采用400～800目氧化铝粉为主体材料、2％甲基纤维素为分散剂、乙酸为分散剂，并以180rpm的转速球磨12h得到的。
12.进一步地，打印面层所采用的针头直径为0.26mm～0.35mm，打印背层所采用的针头直径为0.41mm～0.51mm。
13.进一步地，面层的厚度为0.5mm～1mm，背层的厚度为2mm～4mm。
14.进一步地，分层气动重力挤出成型的挤出速度为10mm/s～30mm/s；所述分层气动重力成型的填充率为90％～100％，面层打印层高为针头直径的85％～95％，背层打印层高为针头直径的70％～80％。
15.进一步地，所述氧化钇浆料中氧化钙的含量为2mol.％～4mol.％。
16.进一步地，同时打印面层与背层以得到陶瓷坯体；接着，将陶瓷坯体在50℃干燥箱内干燥24h，再经过250℃～300℃烧结1h去除粘结剂后，于1500℃下煅烧5h以得到面层与背层一体化的陶瓷型壳。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法主要具有以下有益效果：
18.1.以双头协同打印、分层气动重力挤出的成型方法同时打印面层与背层，进而得到面层与背层一体化的陶瓷型壳，如此通过气动重力挤出成型工艺制备钛合金精密铸造用陶瓷型壳，用直接打印型壳的方式取代了传统的蜡模制壳，实现了陶瓷型壳面层与背层的一体化生产。此外，该工艺无需模具、工艺简单、成本低、周期短、在单件或小批量生产中具有显著的优势，能够快速响应市场需求，同时一体化的生产方式降低了对金属材料使用性能的要求，提高了型壳的表面精度与力学性能。
19.2.本发明陶瓷型壳的面层材料选取为氧化钇，降低了钛合金浇注过程中的界面反应，采用2％甲基纤维素为粘结剂取代了传统氧化钇浆料中的钇溶胶，在更宽的ph范围内更加稳定，且甲基纤维素溶液是典型的粘弹性流体，并具有高温凝胶的特性，有利于气动重力挤出工艺的进行。同时，加入氨水调节氧化钇浆料的ph，提高了浆料的稳定性与流变性能；在氧化钇浆料中还加入了氧化钙为烧结助剂，使氧化钇型壳在1500℃烧结5h后，面层的致密度优于背层，有利于减小钛合金浇注时的界面反应，同时大幅提高了其力学性能，使其满足型壳的浇注需求。
20.3.打印面层所采用的针头直径为0.26mm～0.35mm，打印背层所采用的针头直径为0.41mm～0.51mm，符合精密铸造对型壳表面精度的要求，提高了铸件的表面质量。
21.4.面层的厚度为0.5mm～1mm，背层的厚度为2mm～4mm，保证了型壳的力学性能与表面惰性，节约了型壳的成本。
22.5.将3d打印技术与钛合金精密铸造相结合，拓展了钛合金零件的设计方向，缩短了研发周期，降低了研发成本，对于相应高速发展的市场需求具有重要意义。
23.6.将陶瓷坯体在50℃干燥箱中干燥24h，再经过250℃～300℃烧结1h去除粘结剂后，于1500℃下煅烧5h，从而使得型壳的力学性能满足浇注要求。
附图说明
24.图1是本发明提供的一种钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法的流程示意图。
25.图2是本发明实例中双头陶瓷浆料分层挤出成形原理图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.请参阅图1与图2，本发明提供的钛合金铸造用陶瓷型壳的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
28.步骤一，根据陶瓷型壳的面层与背层结构进行分层以获得两个相连的子陶瓷型壳，并建立一体化的三维结构，将三维结构的参数导入双头打印机。
29.具体地，将用于钛合金精密铸造的陶瓷型壳按照面层与背层分为两个子陶瓷型壳，并根据两个子陶瓷型壳不同的性能要求分别进行厚度、结构、内部孔道等的设计。
30.步骤二，采用氧化钇浆料为型壳面层材料，采用氧化铝浆料为型壳背层材料，并以双头协同打印、分层气动重力挤出的成型方法进行打印以得到陶瓷坯体。
31.如图2所示，作为本发明的优选设计，陶瓷壳由两种不同的陶瓷材料构成，并根据两种不同的陶瓷材料将陶瓷壳分为两层相连的子陶瓷壳。所述氧化钇浆料是采用800～1000目氧化钇粉为主体材料、2％甲基纤维素为粘结剂、30％聚丙烯酸铵水溶液为分散剂，将主体材料、粘接剂及分散剂加入氨水并调节ph到10～12，固相率为44～46vol.％后加入氧化钙作为烧结助剂，采用180rpm的转速球磨12h以得到所述氧化钇浆料。其中，所述氧化钇浆料中氧化钙的含量为2mol.％～4mol.％，使得烧结收缩与氧化铝相匹配。
32.所述氧化铝浆料是采用400～800目氧化铝粉为主体材料、2％甲基纤维素为分散剂、乙酸为分散剂以180rpm的转速球磨12h得到的，无使用烧结助剂，固相率为49～51vol.％。
33.将两种陶瓷浆料分别装入第一料筒1及第二料筒2中，其中，打印型壳面层所采用的针头直径为0.26mm～0.35mm，打印型壳背层所采用的针头直径为0.41mm～0.51mm，使得型壳面层的致密度与表面精度大于背层，背层的刚度与透气性大于面层。型壳面层的厚度为0.5mm～1mm，型壳背层的厚度为2mm～4mm；分层气动重力挤出成型的挤出速度为10mm/s～30mm/s；所述分层气动重力成型的填充率为90％～100％，面层打印层高为针头直径的85％～95％，背层打印层高为针头直径的70％～80％。
34.步骤三，对陶瓷坯体进行固化、去粘接剂、焙烧和精修处理以得到面层与背层一体化的复合陶瓷型壳。
35.具体地，将陶瓷坯体在50℃干燥箱内干燥24h，再经过250℃～300℃烧结1h去除粘结剂后，于1500℃下煅烧5h，从而使得型壳的力学性能满足浇注要求。
36.步骤四，对得到的陶瓷型壳进行力学性能与微观结构的检测。
37.以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
38.实施例1
39.(1)将钛合金叶片型壳按照面层与背层分为两部分，分别建立子型壳的三维结构模型，将模型参数格式转化后导入双头打印机。
40.(2)将800目氧化钇粉、800目氧化钙粉、2％甲基纤维素、30％聚丙烯酸铵水溶液，10％氨水按照422:2:80:4:8的质量比混合，并采用玻璃棒搅拌15min～30min后，加入质量为浆料质量五分之一的大小球体，以球磨转速180rpm球磨12h以得到氧化钇浆料。
41.(3)将400目氧化铝粉、2％甲基纤维素、乙酸按照75:20:1的质量比混合，并采用玻璃棒搅拌15min～30min后，加入质量为浆料质量五分之一的大小球体，以球磨转速180rpm球磨12h以得到氧化铝浆料。
42.(4)以氧化钇浆料及氧化铝浆料为原料，双头打印机打印得到陶瓷坯体，对打印成形的陶瓷坯体在50℃干燥箱内干燥24h，再经过300℃烧结1h去除粘结剂后，于1500℃下烧结5h，得到面层与背层一体化的复合陶瓷型壳。
43.实施例2
44.(1)将钛合金叶片型壳按照面层与背层分为两部分，分别建立子型壳的三维结构模型，将模型参数格式转化后导入双头打印机。
45.(2)将800目氧化钇粉、800目氧化钙粉、2％甲基纤维素、30％聚丙烯酸铵水溶液，10％氨水按照336:2:76:6:6的质量比混合，并采用玻璃棒搅拌15min～30min后，加入质量为浆料质量五分之一的大小球体，以球磨转速180rpm球磨12h以得到氧化钇浆料。
46.(3)将氧化铝粉、2％甲基纤维素、乙酸按照75:20:1的质量比混合，并采用玻璃棒搅拌15min～30min后，加入质量为浆料质量五分之一的大小球体，以球磨转速180rpm球磨12h以得到氧化铝浆料。
47.(4)以氧化钇浆料及氧化铝浆料为原料，双头打印机打印得到陶瓷坯体，对打印成形的陶瓷坯体在50℃干燥箱干燥24h，再经过300℃烧结1h去除粘结剂后，于1500℃下烧结5h，得到面层与背层一体化的复合陶瓷型壳。
48.实施例3
49.(1)将钛合金叶片型壳按照面层与背层分为两部分，分别建立子型壳的三维结构模型，将模型参数格式转化后导入双头打印机。
50.(2)将800目氧化钇粉、800目氧化钙粉、2％甲基纤维素、30％聚丙烯酸铵水溶液，10％氨水按照435:3:90:5:15的质量比混合，并采用玻璃棒搅拌15min～30min后，加入质量为浆料质量五分之一的大小球体，以球磨转速180rpm球磨12h以得到氧化钇浆料。
51.(3)将400目氧化铝粉、2％甲基纤维素、乙酸按照75:20:1的质量比混合，采用玻璃棒搅拌15min～30min后，加入质量为浆料质量五分之一的大小球体，以球磨转速180rpm球磨12h以得到氧化铝浆料。
52.(4)以氧化钇浆料及氧化铝浆料为原料，双头打印机打印得到陶瓷坯体，对打印成形的陶瓷坯体在50℃干燥箱干燥24h，再经过400℃烧结1h去除粘结剂后，于1500℃下烧结5h以得到陶瓷壳体。
53.对比例1
54.按照实施例1中的制备方法打印复合型壳，不同的是，所述氧化钇浆料配比中未加入氨水。
55.对比例2
56.按照实施例1中的制备方法打印复合型壳，不同的是，所述氧化钇配料中未加入氧化钙。
57.对比例3
58.按照实施例1中的制备方法打印复合型壳，不同的是，所述烧结工艺中煅烧温度为1400℃。
59.对比例4
60.按照实施例1中的制备方法打印复合型壳，不同的是，所述烧结工艺中煅烧温度为1600℃。
61.按照上述成型实例制备钛合金复合型壳，测量型壳面层及背层的烧结收缩(％)与抗弯强度(mpa)，具体结果见表1。
62.表1：
[0063][0064]
自试验结果可知，对比例1中氧化钇浆料粘度过大，难以打印成型坯体，对比例2与对比例3中氧化钇陶瓷烧结性能极差，力学性能不足，对比例4中型壳的面层收缩与背层收缩不匹配，导致型壳开裂。而采用本发明所提供的方法制备得到的钛合金复合型壳，则拥有合适的烧结收缩与足够的抗弯强度，满足型壳的浇注要求。
[0065]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。