[發明專利]一種基于3D打印的鈦合金鑄造用砂型/芯的制備方法

在審

• 申請號: 202310035878.8
• 申請日: 2023-01-10
• 公開（公告）號: CN115837445A
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 李珅;肖強偉;徐志鋒;趙瑞斌;張守銀;張元光;李政勛;王德季
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學;北京航空材料研究院股份有限公司
• 主分類號: B22C9/02
• 分類號: B22C9/02;B22C9/10;B22C9/12;B22C1/02;B22C1/18;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 張文

本發明公開了一種基于3D打印的鈦合金鑄造用砂型/芯的制備方法，采用了對3D打印的砂型/芯進行真空壓力浸滲無機粘結劑的工藝方法，通過在3D打印的型砂材料中添加了加工助劑、高溫燒結助劑和添加劑，經低溫埋砂焙燒后、對3D打印成形的砂型/芯進行無機粘結劑的真空壓力浸滲；再對砂型/芯進行浸涂或噴涂惰性材料涂層后埋砂高溫焙燒，實現了無模快速制備復雜的整體砂型/芯。該方法制備的砂型/芯具有優良的高溫強度及低發氣性，不開裂，且惰性涂層穩定，應用于鈦合金鑄造具有生產效率高、成本低及安全等優點。

技術領域

本發明涉及鈦合金砂型鑄造技術領域，尤其是涉及一種基于3D打印的鈦合金鑄造用砂型/芯的制備方法。

背景技術

鈦和鈦合金因比強度高、密度低、熱導率低、抗高溫氧化能力強和優異的耐腐蝕等性能而得到廣泛應用，尤其在航空航天工業領域中極其重要，是重要的戰略金屬材料。隨著各類裝備制造領域的快速發展，對鈦合金關鍵零部件的力學性能、尺寸精度和可靠性要求日益嚴苛。近年來，為了滿足大型復雜薄壁鈦合金精密鑄件的研制需求，鈦合金砂型鑄造等工藝得到了不斷改進與發展，相比于熔模精密鑄造，鈦合金砂型鑄造具有制造快速、可制備大型鑄件及成本優勢，目前實際工程上有取代部分精密鑄造鑄件以及從簡單鑄件到復雜鑄件制備的需求。但目前鈦合金砂型鑄造還存在一定的局限性，這是因為熔融的鈦合金具有很高的化學活性，幾乎可以與所有的耐火材料反應，熔融鈦與鑄型的相互作用會使鑄件表面形成污染層，極大的影響鑄件的表面質量和性能。而且傳統砂型制備方法難以快速制備復雜砂型/芯，尤其是復雜異形的砂型/芯，且砂型/芯的尺寸精度也無法保證，這些問題限制了基于3D打印砂型/芯的鈦合金砂型鑄造的發展。

隨著現代3D打印技術的快速發展，目前采用3D 打印技術直接制備砂型/芯得到了較廣泛的應用，尤其近些年，3D打印技術已能夠制備復雜化、一體化、薄壁化及部分功能化的砂型/芯，快速有效提高了砂型/芯制備的復雜程度。其中，采用選區激光燒結(SelectiveLaser Sintering, SLS）、立體噴墨打印(Three-Dimension Printing,3DP)技術直接成形制作砂型/芯，具有響應速度快、制造周期短、靈活性高、穩定性好、砂型與砂芯一體化制造及可制造出任意復雜形狀等優點，對提升大型復雜鑄件的快速試制和制造水平有明顯的促進作用，在航空航天及汽車等領域解決一些關鍵鑄件的生產展現出巨大潛力。目前，國內外采用SLS、3DP成形的砂型/芯已實際應用于鑄鋁、鑄鋼及鑄鐵等材質的零件生產，而熔融鈦因具有很高的化學活性，鑄造成形時極易與常規鑄型材料發生界面反應，導致鈦鑄件表面產生較厚的氧化層、粘砂、表面夾雜及氣孔等一系列的鑄造缺陷，限制了SLS、3DP成形砂型/芯在鈦合金鑄造中的應用。相比于傳統造型技術，3D打印砂型/芯也因采用有機粘結劑也存在砂型/芯熱強度低、發氣量大、在澆注過程存在砂型/芯開裂、甚至潰散的現象，且砂型/芯表面沒有高溫惰性材料涂層，難以用于澆注化學性質活潑的鈦合金的問題。很明顯，應用于鈦合金鑄造的砂型/芯應具有較高熱強度和較低的膨脹系數，及高的化學惰性，以防化學活性較高的熔融鈦合金與耐火氧化物發生劇烈的化學反應。

很明顯，如何通過工藝手段實現無機粘結劑對3D打印砂型/芯的有機粘結劑的替換是該技術發展的關鍵。針對3D打印砂型/芯的技術特點，通過在3D打印的型砂材料中添加加工助劑、添加劑和燒結助劑，對3D打印砂型/芯進行無機粘結劑的真空壓力浸滲的方法，在砂型/芯內、外部形成一定厚度的無機結合層，在砂型/芯高溫焙燒后取代被燒蝕掉的有機粘結劑，從而具有良好的熱強度及穩定的惰性材料涂層。因此，研究基于3D打印的鈦合金鑄造用砂型/芯的無機粘結劑浸滲及制備工藝，對于推廣快速成形技術在鈦合金鑄造領域的應用有著重要作用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于3D打印的鈦合金鑄造用砂型/芯的制備方法。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于3D打印的鈦合金鑄造用砂型/芯的制備方法，特征是：工藝步驟如下：

A、適用于3D打印的型砂材料的制備