一种钛铝系合金铸件及用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法与流程

1.本发明属于铸件砂型铸造技术领域，具体涉及一种钛铝系合金铸件及用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法。


背景技术：

2.钛铝系合金由于具有高的比强度，优异的高温力学性能等特点，可应用于航空航天领域制备涡轮机叶片、压气机等精密复杂铸件，钛铝系合金具有良好的耐腐蚀性能，面对更为严峻的作业环境时具备较高的强度，可依据轻量化设计应用于汽车关键零件制造领域。
3.目前通常采用熔模铸造工艺制备钛铝系合金，但是熔模铸造周期长、生产成本高、冶金质量控制难度大，制约其工程化应用。
4.砂型铸造是将铸造用砂、粘结剂等混合料放进专用模具中，捣实成多个铸型和型芯，后拼接成完整铸型进行浇注的一种铸造方法。相比于熔模铸造，有铸型制备简单、组装及清理灵活、周期短、退让性好等优点，有利于减少包括ti2alnb和tial合金铸件裂纹缺陷，提高成形质量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种钛铝系合金铸件及用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，以解决现有技术中钛铝系合金铸件铸造周期长、生产成本高的问题。
6.本发明提供了一种用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，包括：
7.型砂配制：根据用砂量，将铝矾土砂和铝矾土粉按照(1～4)：1的重量比混制均匀得到混合料，再按照每100kg混合料配5-25l硅溶胶的比例加入硅溶胶并混合均匀得到型砂；
8.造型：根据铸造工艺图纸制作模具，用模具压出砂型，并自然干燥；
9.烘焙形成铸型：将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，形成铸型零件；
10.耐火涂层涂覆：将氧化钇粉和醋酸锆粘结剂按照(1.5～4):1的重量比混合均匀并喷涂到浇注时与金属液接触的铸型零件表面，自然干燥；再将氧化钇粉和醋酸锆粘结剂按照(2.5～6.5):1的重量比混合均匀并涂刷至喷涂后的铸型零件表面，自然干燥；
11.高温焙烧：将涂覆并干燥的铸型零件放入焙烧炉内进行焙烧，并将焙烧得到的铸件零件组装得到铸型；
12.熔炼浇注：将最终得到的铸型在真空凝壳炉或真空感应炉内进行熔炼浇注。
13.本发明提供的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法还可具有如下附加技术特征：
14.本发明的一个具体实施方式中，根据铸造工艺图纸制作模具具体包括：
15.根据铸件结构进行浇冒系统设计；
16.根据铸件结构及浇冒系统进行铸型结构设计；
17.根据铸型结构进行模具设计，并根据模具设计制作模具。
18.本发明的一个具体实施方式中，根据铸件结构及浇冒系统进行铸型结构设计包括：
19.所述铸型结构的厚度为30-160mm；所述铸型结构的壁厚差小于10mm。
20.本发明的一个具体实施方式中，根据模具设计制作模具包括：采用木材、铸铝、锻铝和/或钢材制作模具。
21.本发明的一个具体实施方式中，用模具压出砂型包括：
22.将配制的型砂以每层厚度20-50mm逐层填入完成表面清理的模具中并逐层捣实压紧；
23.填砂完成后，将模具表面型砂的刮平，将型砂从模具中脱出以得到砂型。
24.本发明的一个具体实施方式中，所述烘焙形成铸型过程包括：将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为100～500℃下保温3-48小时；随炉冷却后出炉形成铸型。
25.本发明的一个具体实施方式中，所述高温焙烧过程包括：将涂覆完成并自然干燥的铸型放入焙烧炉内，经1～2小时升温至400～550℃并保温1.5-3小时；再经1～2小时升温到700℃～850℃并保温1.5～3小时；再经1～2小时升温到900℃～1100℃并保温1.5～3小时，随炉冷却至500℃以下出炉。
26.本发明的一个具体实施方式中，所述熔炼浇注过程包括：
27.将放置于真空凝壳炉或者真空感应炉内的铸型预热至600℃～750℃；
28.静止浇注；起弧真空度≤3.0pa，熔炼真空度≤6.0pa；
29.冷却到700℃～800℃后放入预热炉进行保温，其中保温温度450～600℃，保温时间为24-72h；随炉冷却至500℃以下出炉。
30.本发明的一个具体实施方式中，耐火涂料涂覆中，先进行喷涂步骤，在进行1～3遍刷涂步骤，所述耐火涂层的厚度为0.2～2mm。
31.本发明第二方面还提供了一种钛铝系合金铸件，采用上述任意一项所述的用于钛铝系合金砂型铸造方法制备得到。
32.本发明提供了一种钛铝系合金铸件及用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，所述方法包括以下步骤：型砂配制，将铝矾土砂、铝矾土粉和硅溶胶按比例混合均匀得到型砂；造型，根据铸造工艺图纸制作模具，用模具压出砂型，并自然干燥；烘焙形成铸型，将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，形成铸型零件；耐火涂层涂覆，将搅拌好的涂料涂覆到浇注时与金属液接触的铸型零件表面；高温焙烧：将铸型零件组装成铸型并放入焙烧炉内进行焙烧；熔炼浇注：将铸型在真空凝壳炉或真空感应炉内进行熔炼浇注。上述方法有铸型制备简单、组装及清理灵活、周期短、退让性好等优点，有利于减少包括钛铝系合金铸件裂纹缺陷，提高成形质量。
具体实施方式
33.下面将更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然下述文字显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
34.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
35.尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
36.为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在
……
下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
37.本发明提供的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，包括以下步骤。
38.型砂配制：根据用砂量，将铝矾土砂和铝矾土粉按照(1～4)：1的重量比混制均匀得到混合料，再按照每100kg混合料配5-25l硅溶胶的比例加入硅溶胶并混合均匀得到型砂。
39.造型：根据铸造工艺图纸制作模具，用模具压出砂型，并自然干燥。
40.具体的，根据铸造工艺图纸制作模具具体包括：
41.采用三维绘图软件，根据铸件结构进行浇冒系统设计；在此基础上，继续根据铸件结构及浇冒系统进行铸型结构设计。优选的，铸型结构设计时，根据铸件大小的不同，铸型厚度按30mm～160mm进行设计。铸型分为外型和砂芯，铸型设计要开放，保证可填砂造型、涂料涂覆。同时铸型的设计在保证可造型及装配拼接的情况下，尽量设计等壁厚铸型以加强温度场控制，即优选的，铸型结构的壁厚差小于10mm。
42.根据铸型结构进行模具设计，并根据模具设计制作模具。具体的，采用木材、铸铝、锻铝和/或钢材制作模具。
43.用模具压出砂型包括：
44.将配制的型砂以每层厚度20-50mm逐层填入完成表面清理的模具中并逐层捣实压紧；
45.填砂完成后，将模具表面型砂的刮平，将型砂从模具中脱出以得到砂型。
46.具体的，将制作的模具表面清理干净，清理完成后，将搅拌好的混合料跳入模具
中，填砂需逐层进行，每层厚度20mm～50mm，每填一层均需用木槌、橡胶锤等工具进行捣实，待整个模具完成填砂捣实后，将表面刮平，并取出模具，并将砂型放置在专用的厂房内进行自然干燥。
47.烘焙形成铸型：将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，形成铸型零件。
48.具体的，将自然干燥一定时间的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度一般100℃～500℃，焙烧时间3h～48h。
49.耐火涂层涂覆：涂料涂覆先进行喷涂，再进行刷涂。
50.首先将氧化钇粉和醋酸锆粘结剂按照(1.5～4):1的重量比混合搅拌以配制成喷涂用料浆，后采用喷枪从不同角度将料浆均匀喷涂至浇注时与金属液接触的铸型零件表面，自然干燥；
51.再将氧化钇粉和醋酸锆粘结剂按照(2.5～6.5):1的重量比混合搅拌以配制呈涂用料浆，后采用专用涂刷工具，将料浆涂刷至喷涂后的铸型零件表面，具体的，涂刷1～3遍，以将干燥后的涂层厚度控制在0.5mm～2mm，涂刷后自然干燥。
52.高温焙烧：将涂覆并干燥的铸型零件放入焙烧炉内进行焙烧。
53.具体的，将铸型零件放入焙烧炉中进行焙烧，具体参数为：经1～2小时，升到400～550℃，保温1.5～3小时，再经1～2小时，升到700℃～850℃，保温1.5～3小时，再经1～2小时，升到900℃～1100℃，保温1.5～3小时，炉冷至500℃以下出炉。
54.铸型装配：将制备好的铸型零件按照设计的铸型图进行组装，组装前需清理干净铸型表面，去除浮沉等。最后使用工装将拼接好的铸型进行紧固。
55.熔炼浇注：将最终得到的铸型在真空凝壳炉或真空感应炉内进行熔炼浇注。
56.采用真空凝壳炉或者真空感应炉进行熔炼浇注。工艺参数：铸型预热温度：600℃～750℃；静止浇注；起弧真空度≤3.0pa；熔炼真空度≤6.0pa；冷却到700℃～800℃后放入预热炉进行保温，预热炉温度450～600℃，铸件在预热炉中保温24-72h，冷却到200℃以下出炉。
57.铸型清理：铸型浇注完冷却后，首先将外型拆卸，外型拆卸过程禁止使用金属工具或风镐等用力敲打铸型，拆卸过程可采用橡胶锤轻轻敲击。砂芯部分或者具有长腔结构处采用水清壳方式。
58.本发明第二方面还提供了一种钛铝系合金铸件，采用上述任意一项所述的用于钛铝系合金砂型铸造方法制备得到。
59.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，包括：型砂配制：根据用砂量，将铝矾土砂和铝矾土粉按照(1～4)：1的重量比混制均匀得到混合料，再按照每100kg混合料配5-25l硅溶胶的比例加入硅溶胶并混合均匀得到型砂；造型：根据铸造工艺图纸制作模具，用模具压出砂型，并自然干燥；烘焙形成铸型：将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，形成铸型零件；耐火涂层涂覆：将氧化钇粉和醋酸锆粘结剂按照(1.5～4):1的重量比混合均匀并喷涂到浇注时与金属液接触的铸型零件表面，自然干燥；再将氧化钇粉和醋酸锆粘结剂按照(2.5～6.5):1的重量比混合均匀并涂刷至喷涂后的铸型零件表面，自然干燥；高温焙烧：将涂覆并干燥的铸型零件放入焙烧炉内进行焙烧，并将焙烧得到的铸件零件组装得到铸型；熔炼浇注：将最终得到的铸型在真空凝壳炉或真空感应炉内进行熔炼浇注。2.根据权利要求1所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，根据铸造工艺图纸制作模具具体包括：根据铸件结构进行浇冒系统设计；根据铸件结构及浇冒系统进行铸型结构设计；根据铸型结构进行模具设计，并根据模具设计制作模具。3.根据权利要求2所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，根据铸件结构及浇冒系统进行铸型结构设计包括：所述铸型结构的厚度为30-160mm；所述铸型结构的壁厚差小于10mm。4.根据权利要求2所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，根据模具设计制作模具包括：采用木材、铸铝、锻铝和/或钢材制作模具。5.根据权利要求1所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，用模具压出砂型包括：将配制的型砂以每层厚度20-50mm逐层填入完成表面清理的模具中并逐层捣实压紧；填砂完成后，将模具表面型砂的刮平，将型砂从模具中脱出以得到砂型。6.根据权利要求1所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，所述烘焙形成铸型过程包括：将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为100～500℃下保温3-48小时；随炉冷却后出炉形成铸型。7.根据权利要求1所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，所述高温焙烧过程包括：将涂覆完成并自然干燥的铸型放入焙烧炉内，经1～2小时升温至400～550℃并保温1.5-3小时；再经1～2小时升温到700℃～850℃并保温1.5～3小时；再经1～2小时升温到900℃～1100℃并保温1.5～3小时，随炉冷却至500℃以下出炉。8.根据权利要求1所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，所述熔炼浇注过程包括：将放置于真空凝壳炉或者真空感应炉内的铸型预热至600℃～750℃；静止浇注；起弧真空度≤3.0pa，熔炼真空度≤6.0pa；冷却到700℃～800℃后放入预热炉进行保温，其中保温温度450～600℃，保温时间为24-72h；随炉冷却至500℃以下出炉。9.根据权利要求1所述的用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，其特征在于，耐火涂料
涂覆中，先进行喷涂步骤，在进行1～3遍刷涂步骤，所述耐火涂层的厚度为0.2～2mm。10.一种钛铝系合金铸件，其特征在于，采用权利要求1-9中任意一项所述的用于钛铝系合金砂型铸造方法制备得到。

技术总结
本发明属于铸件砂型铸造技术领域，具体涉及一种钛铝系合金铸件及用于钛铝系合金铸件的砂型铸造方法，所述方法包括以下步骤：型砂配制，将铝矾土砂、铝矾土粉和硅溶胶按比例混合均匀得到型砂；造型，根据铸造工艺图纸制作模具，用模具压出砂型，并自然干燥；烘焙形成铸型，将造型得到的砂型放入焙烧炉中进行焙烧，形成铸型零件；耐火涂层涂覆，将搅拌好的涂料涂覆到浇注时与金属液接触的铸型零件表面；高温焙烧：将铸型零件组装成铸型并放入焙烧炉内进行焙烧；熔炼浇注：将铸型在真空凝壳炉或真空感应炉内进行熔炼浇注。上述方法有铸型制备简单、组装及清理灵活、周期短、退让性好等优点，有利于减少包括钛铝系合金铸件裂纹缺陷，提高成形质量。提高成形质量。


技术研发人员：王德季 丁贤飞 肖强伟 范世玺 李惠菊
受保护的技术使用者：北京航空材料研究院股份有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/14