CN102847870A - 熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂及其制备方法与应用，属于钛合金熔模铸造中高精度型壳制造的领域。所述悬浮剂配方由以下成分按质量百分比组成：羧甲基纤维素钠0.7-1.4%、阴离子型聚丙烯酰胺0.1-0.3%、纳米级钠基膨润土0.2-0.6%、余量为蒸馏水。本发明可以制备得到悬浮性能优异、涂覆均匀的钛合金熔模铸造型壳用水基涂料，所制涂料的悬浮率高达95%，比未加悬浮剂的涂料提高了20%，同时由于悬浮剂的加入量很少，所以在浇注时与钛液的接触有限，形成的钛合金铸件污染层较薄。

Description

熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于熔模铸造涂料配制领域，具体涉及了一种用于钛合金熔模精密铸造型壳面层水基氧化锆涂料的悬浮剂及其制备方法与应用。

背景技术

钛及钛合金的密度小、比强度高，工作温度范围较宽，并且具有优良的抗蚀性。从20世纪50年代开始，由于航空航天技术的迫切需求，钛工业得到了迅速的发展。现在，钛及钛合金不仅是航空航天工业中不可缺少的结构材料，在造船、化工、冶金、医疗等方面也获得了广泛的应用。

但是，由于钛合金零部件的加工难度大，采用传统的塑性加工方法进行锻造加工的钛制件，其加工余量大、金属利用率低、生产成本高，且无法制备一些复杂形状的零件，这极大地限制了钛的应用范围。为了改变这种状态，国内外研究人员对钛合金近成品件尺寸加工工艺进行了探索，其中包括精锻、精铸、扩散焊与粉末冶金等，实践表明钛合金精铸工艺是最成功的、经济效益最显著的工艺。经研究比较发现，铸造特别是熔模精密铸造不仅能节省大量金属提高金属利用率降低成本，还可以制备一些形状复杂的零件，因此熔模精密铸造对于钛合金零件的制备最有潜力的生产制造方法。

熔模铸造也称失蜡铸造，它是用可熔性一次模料和一次型使得铸件成形的铸造方法。采用该方法生产的铸件表面粗糙度低、尺寸精确，因此，亦称为熔模精密铸造。钛合金为最难于精铸成形的工业金属，因为钛的熔点高、化学活性大、钛金属液几乎与所有的耐火材料发生不同程度的反应，因此大大影响了钛精密铸件的外观质量及力学性能，直到20世纪70年代初，钛合金精密铸件才正式用于航空工业。此后，钛及钛合金熔模精密铸造技术逐步得到了工业生产的应用，钛和钛合金熔模精密铸造技术得到了迅速的发展。目前工业上用的98%以上的钛合金铸造结构件都是熔模精密铸造的。

   钛合金熔模精密铸造技术中型壳的制备是整个熔模制造中重要的关键工艺，型壳不仅影响钛合金精铸件的表面质量，而且型壳的透气性、强度、高温稳定性对钛合金制件的浇注过程、力学性能、铸造缺陷及铸件污染层都有很大的影响。因此，国内外对于型壳的制造，开展了大量的研究。如专利《用于钛合金精密铸造的低成本氧化物陶瓷型壳的制备方法》中采用刚玉粉和硅溶胶为面层制备的型壳可以制造出高表面质量、薄壁复杂耐热钛合金铸件；文献《钛合金精密铸造陶瓷型壳性能的研究》中，对Y/ Y、ZY/ZY和TJ/ZC等三种面层材料的性能进行了研究，实验表明，TJ/ZC材料是钛合金精密铸造理想的面层材料。目前，钛合金熔模制造中型壳制备的一个难点是：在制壳过程中涂料的配制常常由于涂料内部结构不稳定、耐火粉与溶胶粒子之间相互排斥，致使涂料的悬浮稳定性不良，较易沉淀板结进而使涂料失效，同时，由于涂料在使用过程中易沉淀分层以及涂料粘度发生较大变化而造成涂挂不均匀，致使所制型壳壁厚不均匀，容易在薄壁处承受不住液态合金的作用而开裂，最终导致钛液浇注失败。

因此，解决涂料的悬浮性问题十分必要。目前，文献《钠基膨润土对硅溶胶涂料悬浮性的影响》中采用加入1%wt钠基膨润土改善硅溶胶涂料的悬浮性，但是由于膨润土的加入量相对偏高，浇注时会与钛液发生反应形成较厚的污染层。

发明内容

本发明的目的在于针对钛合金熔模精密铸造用型壳水基氧化锆涂料提出一种悬浮剂配方，可有效改善水基氧化锆涂料的悬浮性、延长了其保存时间、提高了型壳的质量，同时加入量也仅有0.02-0.05%wt，浇注时与钛液的接触很少，因此铸件表面质量好、污染层较薄。

为实现上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种用于钛合金熔模铸造型壳水基氧化锆涂料的悬浮剂，其特征在于由以下成分按质量百分比组成：

羧甲基纤维素钠        0.7-1.4%

阴离子型聚丙烯酰胺    0.1-0.3%

纳米级钠基膨润土      0.2-0.6% 

蒸馏水                  余量

所述的羧甲基纤维素钠选用的牌号为FM6，其2%水溶液的粘度为300-600cp；所述的阴离子型聚丙烯酰胺的分子量为300-2200万。

悬浮剂的最优配方由以下成分按质量百分比组成：

羧甲基纤维素钠        1.0%

阴离子型聚丙烯酰胺    0.2%

纳米级钠基膨润土      0.4% 

  蒸馏水                余量。

该悬浮剂的具体制备过程，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：首先分别配制20g/L的羧甲基纤维素钠、10g/L的阴离子型聚丙烯酰胺、20g/L纳米级钠基膨润土的水溶液，并将羧甲基纤维素钠溶液和聚丙烯酰胺溶液分别放入40-60℃的水浴锅中以100-160转/分钟的机械搅拌30分钟备用；

步骤2：然后将搅拌至胶体状的羧甲基纤维素钠溶液、聚丙烯酰胺溶液和纳米级钠基膨润土溶液混合，保证羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和钠基膨润土的质量百分比分别为0.7-1.4%、0.1-0.3%、0.2-0.6%，继续在40-60℃的水浴锅中机械搅拌1-3小时，即可获得悬浮剂。

该悬浮剂的应用方法为：每100毫升原有水基氧化锆涂料中加入3-6毫升的悬浮剂即可有效改善其悬浮性，这里的水基氧化锆涂料是指采用安定氧化锆为耐火粉、碳酸锆铵胶液为粘结剂的水基涂料。

加入悬浮剂后测试所制涂料的PH值，通过添加氨水或者蒸馏水将其控制在9.0-10.0之间，稳定涂料的粘度在所需范围内后即可涂挂。

本发明的有益效果是：将原氧化锆水基涂料的悬浮性从75%左右提高到了95%，有效的防止了涂料的沉淀板结，提高了涂料的使用寿命并改善了型壳的均匀性，同时由于加入量很少所以在浇注时与钛液的接触有限，形成的钛合金铸件污染层较薄。本方法实施成本低廉、工艺步骤简单易实施，只需在原涂料配制过程中加入3%-6%体积份数的本发明所配置的悬浮剂即可，能有效提高氧化锆水基涂料的悬浮性，对原有涂料的其他性能还有一定的提高，如涂料粘度上升了3秒、涂料所制型壳的室温抗弯强度基本不变，并且涂料的厚度还提高了1毫米，优化了涂料的综合工艺性能。

附图说明

图1过渡层和背层浆料、砂料的选择；

图2检测结果；

图3铸钛件表面污染层。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，但本发明并不限于这些实施例，该领域的技术熟练人员可以根据上述内容对本发明作出一些非本质的改进和调整，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

分别配制20g/L的CMC、10g/L的PAMA、20g/L钠基膨润土的水溶液，并将前两种溶液放入40-60℃的水浴锅中搅拌30分钟至溶胶状备用。其中所述的羧甲基纤维素钠选用的牌号为FM6，其2%水溶液的粘度为300-600cp；所述的阴离子型聚丙烯酰胺的分子量为300-2200万。

然后按照碳酸锆铵胶液、润湿剂A35、325目安定氧化锆粉、消泡剂N-F的添加顺序依次配制粉液比（安定氧化锆粉的质量与碳酸锆铵胶液的体积比）为5.0的水基涂料。将不同的悬浮剂配方加入到粉液比为5.0的水基涂料中，以40-50转/分钟的搅拌速度搅拌12小时后测试涂料性能。以下实施例为不同悬浮剂配方的列举：

实施例1

粉液比5.0的氧化锆水基涂料 100ml

   实施例2

粉液比5.0的氧化锆水基涂料 100ml

CMC溶胶液 2.5ml

PAM溶胶液 1ml

纳米级钠基膨润土溶液 1ml

实施例3

粉液比5.0的氧化锆水基涂料 100ml

CMC溶胶液 2.5ml

PAM溶胶液 0.5ml

    纳米级钠基膨润土溶液 0.5ml

实施例4

粉液比5.0的氧化锆水基涂料 100ml

    CMC溶胶液 1ml

PAM溶胶液 1ml

纳米级钠基膨润土溶液 1ml

实施例5

粉液比5.0的氧化锆水基涂料 100ml

CMC溶胶液 2.5ml

PAM溶胶液 1.5ml

纳米级钠基膨润土溶液 1ml

实施例6

粉液比5.0的氧化锆水基涂料 100ml

CMC溶胶液 1ml

PAM溶胶液 0.5ml

纳米级钠基膨润土溶液 0.7ml

采用上述涂料进一步制备熔模铸造型壳并且浇注钛铸件的工艺流程为：一、采用K512蜡料压制蜡模；二、在蜡模表面涂挂2层面层、1层过渡层和6层背层，每层之间间隔12小时干燥，其中每层包括涂挂涂料和撒砂，面层涂料即为上述加入悬浮剂的水基氧化锆涂料、所撒砂料为100目氧化锆砂，过渡层和背层浆料、砂料的选择如图1所示；三、将干燥完全的型壳放入高压蒸汽脱蜡釜中进行脱蜡，脱蜡参数为：压力为0.7MPa，脱蜡时间为14分钟，温度为170℃；四、步骤三脱蜡后的型壳在950-1100℃条件下焙烧1.5小时；五、步骤四中焙烧后的型壳放入真空凝壳炉中，然后将钛或钛合金（本实验采用工业纯钛TA2）熔炼后浇注到型壳中进行重力铸造，冷却至室温即可得到铸钛件。

对上述配方制得的涂料进行粘度、覆盖性、室温抗弯强度、悬浮率、保存时间、铸钛件的表面粗糙度测试，结果如图2所示。

粘度测试：按照HB5351.1-2004标准进行。

覆盖性测试：按照HB5351.6-2004标准进行。

室温抗弯强度测试：按照HB5352.1-2004标准进行。

悬浮率测试：按照GB/T5107-1991标准进行，测试24小时后涂料的悬浮率。

涂料保存时间测试：对所制涂料以40-50转/分钟的搅拌速度不间断搅拌，每隔12小时测定其粘度、悬浮率、PH值，当测定结果出现突变时即为涂料失效时间，记录涂料从开始搅拌到失效之间的时间即为涂料保存时间。

铸钛件的表面粗糙度测试：采用手持粗糙仪TR200对浇注后未经处理的铸钛零件表面直接测定。

图3所示为实施例2所制涂料浇注出的TA2铸件表面污染层。从图片可以看出，钛铸件的表面污染层很薄（大约200um左右），且厚度均匀，因此这些污染层可以通过之后的喷砂、酸洗等去除，从而获得良好的钛铸件。

从上述实例可以看出，本发明所公开的悬浮剂配方能有效提高原有氧化锆水基涂料的悬浮性，延长了涂料的保存时间，同时悬浮剂的加入增加了涂料的流杯粘度和涂片厚度，涂料的厚度也很均匀，室温抗弯强度也基本不变，优化了涂料的综合工艺性能，添加本发明所公开的悬浮剂后浇注所得的铸钛件表面污染层小于200um，完全可经后续处理去除。

Claims (4)

1.一种熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂，其特征在于由以下成分按质量百分比组成：

羧甲基纤维素钠        0.7-1.4%

阴离子型聚丙烯酰胺    0.1-0.3%

纳米级钠基膨润土      0.2-0.6% 

蒸馏水                  余量

所述的羧甲基纤维素钠选用的牌号为FM6，其2%水溶液的粘度为300-600cp；所述的阴离子型聚丙烯酰胺的分子量为300-2200万。

2.根据权利要求1所述的熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂，其特征在于，悬浮剂的最优配方由以下成分按质量百分比组成：

羧甲基纤维素钠        1.0%

阴离子型聚丙烯酰胺    0.2%

纳米级钠基膨润土      0.4% 

  蒸馏水                余量。

3.根据权利要求1所述的熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂的制备过程，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：首先分别配制20g/L的羧甲基纤维素钠、10g/L的阴离子型聚丙烯酰胺、20g/L纳米级钠基膨润土的水溶液，并将羧甲基纤维素钠溶液和聚丙烯酰胺溶液分别放入40-60℃的水浴锅中以100-160转/分钟的机械搅拌30分钟备用；

步骤2：然后将搅拌至胶体状的羧甲基纤维素钠溶液、聚丙烯酰胺溶液和纳米级钠基膨润土溶液混合，保证羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和钠基膨润土的质量百分比分别为0.7-1.4%、0.1-0.3%、0.2-0.6%，继续在40-60℃的水浴锅中机械搅拌1-3小时，即可获得悬浮剂。

4.根据权利要求1所述的熔模铸钛用水基氧化锆涂料的悬浮剂的应用方法为：

每100毫升原有水基氧化锆涂料中加入3-6毫升的悬浮剂即可有效改善其悬浮性，这里的水基氧化锆涂料是指采用安定氧化锆为耐火粉、碳酸锆铵胶液为粘结剂的水基涂料；

加入悬浮剂后测试所制水基氧化锆涂料的PH值，通过添加氨水或者蒸馏水将其控制在9.0-10.0之间，稳定涂料的粘度在所需范围内后即可涂挂。

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