專利名稱：一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄造方法。
背景技術(shù)：
由于高溫鈦合金具有較高的使用溫度、高溫強(qiáng)度、較好的抗氧化性能、抗蠕變性能、抗疲勞性能等，在飛機(jī)發(fā)動機(jī)和火箭推進(jìn)系統(tǒng)所用的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料中以明顯的 優(yōu)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(jié)構(gòu)材料的研究方向和發(fā) 展趨勢之一。隨著航空工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鈦合金在飛機(jī)上的使用將越來越多。多用于制 造航空發(fā)動機(jī)中要求強(qiáng)度高與耐熱性好的重要零部件和飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)件。美國大型復(fù)雜的發(fā)動機(jī)中間機(jī)匣式風(fēng)扇框架已經(jīng)采用Ti-6242高溫鈦合金精鑄件，就是采用精密鑄造方法制備的，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(jìn)行了系統(tǒng)的評價，認(rèn)為采用合適的陶瓷型殼，并經(jīng)過熱處理和熱等靜壓 處理獲得的精鑄件的力學(xué)性能有望接近于Ti-6A1-4V合金，現(xiàn)已開始進(jìn)行發(fā)動機(jī)鑄件的 應(yīng)用研究，例如該方法制備的成分為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(yīng)用，特別是以鍛 造為主。對于形狀復(fù)雜的零件，存在設(shè)計周期長，成本高，難以成形的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的方法制備工藝復(fù)雜、成本高、很難得到形狀復(fù)雜的高溫鈦合金零件的問題，而提供了一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法。本發(fā)明基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照以下步驟進(jìn)行一、快速制模得到蠟?zāi)?；二、蠟?zāi)け砻嫱繏鞆V2層的面層和5 7層的背層即得到型殼，其中，面層涂料由 醋酸鋯和氧化釔粉按照纊2. 6 1的質(zhì)量比組成，背層由硅溶膠和煤矸粉按照1.廣1.8 1 的質(zhì)量比組成；三、步驟一的型殼在85(T110(TC條件下焙燒0. 5 2h;四、步驟三中焙燒后 的型殼放入到離心鑄鈦機(jī)，然后將鈦合金熔煉后澆注到型殼中進(jìn)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(jīng)過清殼、噴砂、退火和精整后，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(xiàn)了高溫鈦合金的 精密鑄造。本發(fā)明的方法中以醋酸鋯和氧化釔粉作為面層，而以硅溶膠和煤矸粉作為背層，在適當(dāng)條件下進(jìn)行焙燒，而后再經(jīng)過鑄造，成功實現(xiàn)了高溫鈦合金的精密鑄造，本發(fā)明對制 備條件的要求較低，制備工藝簡單，且材料的利用率高，降低了生產(chǎn)成本低，本發(fā)明的方法 具有近凈成形的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，并且能夠制備得到形狀復(fù)雜的高溫鈦合金零件， 本發(fā)明方法制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(fā)明的方法提供了一種快速靈活設(shè)計制備復(fù)雜形狀的高溫鈦合金鑄件的制備方法。
具體實施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于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
一本實施方式基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照以 下步驟進(jìn)行一、快速制模得到蠟?zāi)ぃ欢?、蠟?zāi)け砻嫱繏鞆V2層的面層和5 7層的背層即得 到型殼，其中，面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照纊2.6 1的質(zhì)量比組成，背層由硅溶 膠和煤矸粉按照1. Γ1. 8 1的質(zhì)量比組成；三、步驟一的型殼在85(T110(TC條件下焙燒 0. 5^2h ；四、步驟三中焙燒后的型殼放入到離心鑄鈦機(jī)，然后將鈦合金熔煉后澆注到型殼中 進(jìn)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(jīng)過清殼、噴砂、退火和精整 后，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(xiàn)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(jī)對高溫鈦合金鑄件三維成 形設(shè)計，將設(shè)計文件導(dǎo)入快速成型機(jī)制造零件蠟?zāi)?，快速制模材料采用聚苯乙烯粉，制模?用2000目砂紙進(jìn)行打磨，以增加蠟?zāi)５墓鉂嵍?；然后再采用中溫蠟制作澆注系統(tǒng)，將澆注 系統(tǒng)和已制蠟?zāi)Ｕ辰Y(jié)在一起，將制好的模樹在蠟?zāi)Ｇ逑匆褐型嫡駝?，約10-18秒。其中， 蠟?zāi)Ｇ逑匆簽橐掖?、丙酮、正辛醇或洗衣粉液。本實施方式中步驟一中面層漿料制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制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、硅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后切割去除澆注系統(tǒng)，然后再退火。本實施方式中以醋酸鋯和氧化釔粉作為面層，而以硅溶膠和煤矸粉作為背層，在 適當(dāng)條件下進(jìn)行焙燒，而后再經(jīng)過鑄造，成功實現(xiàn)了高溫鈦合金的精密鑄造，本實施方式對 制備條件的要求較低，制備工藝簡單，且材料的利用率高，降低了生產(chǎn)成本低，本發(fā)明的方 法具有近凈成形的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，并且能夠制備得到形狀復(fù)雜的高溫鈦合金零 件。本實施方式方法根據(jù)所使用原料的不同，可實現(xiàn)以下高溫鈦合金的批量制備 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)，且可以制備得到形狀復(fù)雜 的高溫鈦合金零件，使用溫度均達(dá)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?zāi)け砻嫱?掛1層的面層和7層的背層。其他步驟及參數(shù)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?zāi)け砻嫱?掛2層的面層和5層的背層。其他步驟及參數(shù)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 層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 2 2. 4 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 3 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 2 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 4 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 層由硅溶膠和煤矸粉按照1.3 1.6 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 層由硅溶膠和煤矸粉按照1.4 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 背層由硅溶膠和煤矸粉按照1.35 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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 背層由硅溶膠和煤矸粉按照1.6 1的質(zhì)量比組成。其他步驟及參數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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?zāi)け砻嫱繏?層的面層，第一層至第二層面層涂料由醋酸鋯和氧化釔砂粉料按照 2.3 1的質(zhì)量比混合組成，第一層面層涂料的干燥溫度為22 26°C，濕度為509Γ70%，干燥 時間為纊10h，第二層面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉料按照2. 3 1的質(zhì)量比混合組成，第 一層面層涂料的干燥溫度為22 26°C，濕度為50% 70%，干燥時間為12 14h ；蠟?zāi)け砻嫱繏?上5層的背層，第一層至第五層背層涂料由硅溶膠和煤矸粉按照1. 6 1的質(zhì)量比混合組成， 第一層背層涂料的干燥溫度為22 26°C，濕度為40%飛0%，干燥時間為15 16h，風(fēng)速為3 5m/ s,第一層到第五層背層涂料的干燥溫度為22 26°C，濕度為30% 50%，干燥時間為16 20h， 風(fēng)速為6、m/s。其他步驟及參數(shù)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于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照 以下步驟進(jìn)行一、快速制模得到蠟?zāi)?；二、蠟?zāi)け砻嫱繏?層的面層和5層的背層即得到 型殼，其中，面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 3 1的質(zhì)量比組成，背層由硅溶膠和煤 矸粉按照1.6 1的質(zhì)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 中焙燒后的型殼放入到離心鑄鈦機(jī)，然后將鈦合金熔煉后澆注到型殼中進(jìn)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(jīng)過清殼、噴砂、退火和精整后，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(xiàn)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(jī)對高溫鈦合金鑄件三維成 形設(shè)計，將設(shè)計文件導(dǎo)入快速成型機(jī)制造零件蠟?zāi)＃焖僦颇２牧喜捎镁郾揭蚁┓?，制模?用2000目砂紙進(jìn)行打磨，以增加蠟?zāi)５墓鉂嵍?；然后再采用中溫蠟制作澆注系統(tǒng)，將澆注 系統(tǒng)和已制蠟?zāi)Ｕ辰Y(jié)在一起，將制好的模樹在蠟?zāi)Ｇ逑匆褐型嫡饎?，約10-18秒。其中，蠟?zāi)Ｇ逑匆簽橐掖?、丙酮、正辛醇或洗衣粉液。本實施方式步驟一中蠟?zāi)け砻嫱繏?層的面層，第一層至第二層面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉料按照2. 3 1的質(zhì)量比混合組成，第一層面層涂料的干燥溫度為24°C，濕 度為60%，干燥時間為9h，第二層面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉料按照2. 3 1的質(zhì)量比混 合組成，第一層面層涂料的干燥溫度為24°C，濕度為60%，干燥時間為13h ；蠟?zāi)け砻嫱繏焐?5層的背層，第一層至第五層背層涂料由硅溶膠和煤矸粉按照1. 6 1的質(zhì)量比混合組成，第 一層背層涂料的干燥溫度為22 26°C，濕度為50%，干燥時間為15h，風(fēng)速為4m/s，第一層到 第五層背層涂料的干燥溫度為24°C，濕度為40%，干燥時間為18h，風(fēng)速為7m/s。本實施方式制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(quán)利要求
一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特征在于基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法按照以下步驟進(jìn)行∶一、快速制模得到蠟?zāi)?；二、蠟?zāi)け砻嫱繏?~2層的面層和5~7層的背層即得到型殼，其中，面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2~2.6∶1的質(zhì)量比組成，背層由硅溶膠和煤矸粉按照1.1~1.8∶1的質(zhì)量比組成；三、步驟一的型￡3在850~1100℃條件下焙燒0.5~2h；四、步驟三中焙燒后的型殼放入到離心鑄鈦機(jī)，然后將鈦合金熔煉后澆注到型殼中進(jìn)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(jīng)過清殼、噴砂、退火和精整后，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(xiàn)了高溫鈦合金的精密鑄造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特征在于 步驟一中蠟?zāi)け砻嫱繏?層的面層和5層的背層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特征 在于步驟一中面層涂料由醋酸鋯和氧化釔粉按照2. 2 2. 4 1的質(zhì)量比組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特征在于 步驟一中背層由硅溶膠和煤矸粉按照1.3 1. 6 1的質(zhì)量比組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特 征在于步驟二中型殼在89(Tl050°C件下焙燒0. 9 1. 5h。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特征在于 步驟三中離心鑄造時離心轉(zhuǎn)速為20(T400rpm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其 特征在于步驟四中退火溫度為70(T80(TC，保溫廣3h。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于快速原型的高溫鈦合金精密鑄造方法，其特征在于 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
一種基于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(fā)明解決了現(xiàn)有的方法制備工藝復(fù)雜、成本高、很難得到形狀復(fù)雜的高溫鈦合金零件的問題。方法一、快速制模得到蠟?zāi)?；二、制備型殼；三、焙燒；四、澆注高溫鈦合金鑄件；五、后處理，經(jīng)過清殼、噴砂、退火、精整、保壓即得到高溫鈦合金鑄件。本發(fā)明的制備工藝簡單，成本低，設(shè)計靈活，可批量生產(chǎn)，能夠得到形狀復(fù)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(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者孔凡濤, 田竟, 肖樹龍, 趙而團(tuán), 陳玉勇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)