一种钛合金铸造石墨铸型用复合涂层及其制备方法与流程

本发明涉及涂层材料及等离子喷涂工艺，具体提供一种具有复杂变曲面流道钛合金铸件铸造石墨铸型用复合涂层及其制备方法。

背景技术：

1、复杂变曲面流道钛合金铸件的型腔和流道极为复杂，且对此类铸件铸造工艺技术要求较高，铸件关键部位表面和内部质量需达到gjb2896a-2007规定的ⅰ类b级规定要求，尺寸精度最高需达到gb6414-1999规定的ct6级。

2、石墨型铸造是大尺寸钛合金铸件的常用铸造工艺，但由于石墨铸型激冷作用强，铸件表层合金溶液会出现凝固受阻、不能完全汇聚融合的情况，铸件表面会存在大量的冷隔流痕等缺陷。钛液可与石墨铸型材料反应形成脆性污染层，由于石墨铸型退让性差，使铸件收缩时受到阻力，导致污染层出现开裂，最终铸件表面会出现一定的裂纹。同时，型腔和流道内部存在的冷隔、流痕等缺陷，无法进行打磨处理，内部的裂纹也无法通过焊接来修补，只能通过采取合理的铸造工艺措施来保证铸件表面质量，因此，研究如何改善钛合金铸件表面质量具有重要意义。

技术实现思路

1、针对传统石墨型铸造工艺的不足，本发明提供一种钛合金铸造石墨铸型用复合涂层及其制备方法，所述复合涂层与石墨铸型基体具有良好的结合，且绝热效果优异，采用涂覆有复合涂层的石墨铸型可获得表面质量更高的钛合金铸件。

2、本发明技术方案如下：

3、一种钛合金铸造石墨铸型用复合涂层，其特征在于：所述复合涂层由金属粘结层和陶瓷层组成，所述金属粘结层两侧分别为石墨铸型和第一层陶瓷层；所述陶瓷层为三层结构，其中第一层陶瓷层为al2o3，第二层陶瓷层为ysz涂层，第三层陶瓷层由sc2o3、la2o3、ceo2、zr2o3、tio2以及b粉组成。

4、作为优选的技术方案：

5、所述金属粘结层由nicraly合金粉末制成，粉末粒度在15～45μm；第一层陶瓷层由al2o3制成，粉末粒度在20～45μm；第二层陶瓷层由传统的热障陶瓷涂层组成，其成分为8％氧化钇稳定氧化锆(ysz)，粉末粒度在15～75μm之间。

6、所述第三层陶瓷层由sc、la、ce掺杂zr2o3并添加tio2和少量b粉组成，按质量百分比记，其成分组成为：sc2o3：5～10％、la2o3：10～20％，ceo2：10～15％，tio2：5％，b粉：0.05％，余量：zr2o3；其中b粉粉末粒度为1～15nm，除b粉外，其他原料的粉末粒度均为15～75μm。

7、其中第三层陶瓷层成分配比最优选为sc2o3:7％，la2o3:15％，ceo2:13％，tio2:5％，b粉:0.05％，余量:zr2o3，采用该涂层制备得到的钛合金铸件表面质量最佳。

8、所述金属粘结层两侧分别为石墨铸型和第一层陶瓷层。

9、所述金属粘结层厚度为20～40μm，第一层陶瓷层厚度为30～40μm，第二层陶瓷层厚度为40～60μm，第三层陶瓷层厚度为50～60μm。

10、本发明还提供了所述复合涂层的制备方法，其特征在于：采用等离子喷涂工艺将各涂层依次喷涂在石墨铸型内腔表面，然后将涂覆有复合涂层的石墨铸型干燥后置于真空环境中进行阶梯式焙烧。

11、其中：喷涂第三层陶瓷层前，将b粉(粉末粒度为5～15nm)、tio2、sc2o3、la2o3、ceo2、zro2粉末按质量比混合，同时加入去离子水，在行星球磨机中球磨3h～4h，再将聚乙烯醇加入浆料中继续球磨3h～5h，球磨机转速为250～350r/min，制备复合粉体浆料供喷雾造粒；

12、采用喷雾干燥机进行喷雾造粒制备粉末，工艺参数为：(a)入口温度为250～280℃，出口温度为100～120℃；(b)雾化轮供气压力为1.4×105～1.8×105pa；(c)进料速度40～60r/min；筛选粒径范围在15～75μm的粉末颗粒。

13、等离子喷涂工艺参数如下：

14、电流为：金属粘结层：400～450a；第一层陶瓷层：350～400a；第二层陶瓷层：450～500a；第三层陶瓷层：500～550a；

15、电压为：金属粘结层：55v；第一层陶瓷层：40v；第二层陶瓷层：60v；第三层陶瓷层：60v；

16、等离子生成h2流量为：金属粘结层：0.6～0.9l/min；第一层陶瓷层：0.5～0.8l/min；第二层陶瓷层：0.8～1.2l/min；第三层陶瓷层：0.8～1.2l/min；

17、喷射距离：金属粘结层：100～150mm；第一层陶瓷层：110～160mm；第二层陶瓷层：70～120mm；第三层陶瓷层：100～150mm。

18、将涂覆有复合涂层的石墨铸型置入温度18℃、相对湿度50％的环境中进行干燥，待干后放入烘箱干燥，并在110～120℃下保温2～4h。然后将涂覆有复合涂层的石墨铸型置于高温真空热处理炉中进行阶梯式焙烧，首先在380℃下保温2h，然后在600℃下保温2h，再将温度升至1030℃保温2h后炉冷至300℃，待炉温降至300℃以下，关闭机械罗茨泵和真空直流阀，关闭机械泵并向机械泵充气，停止冷却水，并空冷至室温。

19、基于上述复合涂层，本发明还提供了一种钛合金精密铸造方法，其特征在于，具体工艺如下：

20、(1)制备石墨铸型：根据铸造工艺图纸，采用无模数控加工技术将石墨电极块制备成石墨铸型，原料采用高纯石墨；

21、(2)涂覆复合涂层：采用等离子喷涂工艺在制备好的石墨铸型内腔表面喷涂本发明所述复合涂层；

22、(3)预热并焙烧石墨铸型：将涂覆有复合涂层的石墨铸型置入温度18℃、相对湿度50％的环境中进行干燥，待干后放入烘箱干燥，并在110～120℃下保温2～4h，然后将石墨铸型置于高温真空热处理炉中进行阶梯式焙烧；

23、(4)熔炼合金：将钛合金电极安装到真空自耗电极凝壳炉电极杆上，装卡铸型，关闭炉门后将炉体抽真空，当真空度≤3×10-1pa时，开始熔化电极，熔炼电流控制在8000a～18000a，电压控制在35～40v；

24、(5)浇注合金：所述合金原料熔化到浇注重量后，转动铸型离心盘，离心盘转速控制在100～250r/min，翻转坩埚将合金液倒入铸型中，获得钛合金铸件。

25、本发明具有如下优点：

26、(1)本发明所述复合涂层材料与常规的单一涂层材料相比具有更致密的组织结构，且各涂层之间适配性好，孔隙率低，无层间裂纹，绝热效果更优异。

27、(2)多层陶瓷结构可有效缓解涂层的损坏，最外层陶瓷涂层具有低导热系数和高相稳定性，可起到保温和保护内层的作用，减少铸件表面流痕以及污染层等缺陷。采用本发明所述方案可显著提高钛合金铸件的表面质量，浇注所得的钛合金铸件表面粗糙度ra≤3.2μm，污染层厚度≤8μm，无表面裂纹。

28、(3)本发明的主要特点在于采用多层陶瓷涂层加一层金属粘结层的方法，多层陶瓷层提高了涂层的结合强度，避免因热膨胀系数不匹配以及氧化膨胀而导致的粘结层脱落。

29、(4)本发明采用等离子喷涂的工艺对涂层进行制备，具有涂层厚度可控、喷涂效率高等特点，且涂层与石墨基体之间结合强度≥55mpa。

30、(5)采用涂覆有本发明所述复合涂层的石墨铸型可提高铸件表面质量，特别适用于制备复杂变曲面流道钛合金铸件。