熔模铸造型壳用材料研究进展_王迪.pdf

第 15 卷 第 4 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 205 收稿日期：20221221 Received：2022-12-21 基金项目：国家科技重大专项（J2019-VI-0004-0117）；航发产学研项目（HFZL2020CXY023）；上海市类高峰学科材料科学与工程（高能束智能加工与绿色制造）Fund：National Science and Technology Major Special Funding Project(J2019-VI-0004-0117);HangFa Indus-try-University-Research Cooperation Project(HFZL2020CXY023);Class III Peak Discipline of Shanghai-Materials Science and Engineering(High-Energy Beam Intelligent Processing and Green Manufacturing)作者简介：王迪（1999），男，硕士生，主要研究方向为高温合金反重力铸造控压精铸成形。Biography：WANG Di(1999-),Male,Postgraduate,Research focus:pressure-regulating precision casting and forming in counter gravity of superalloy.通讯作者：李九霄（1978），女，博士，讲师，主要研究方向为钛基复合材料与高温合金精密铸造成形。Corresponding author：LI Jiu-xiao(1978-),Female,Doctor,Lecturer,Research focus:titanium matrix composites and super-alloy precision casting and forming.引文格式：王迪,李九霄,董安平,等.熔模铸造型壳用材料研究进展J.精密成形工程,2023,15(4):205-216.WANG Di,LI Jiu-xiao,DONG An-ping,et al.Research Progress of Materials for Investment Casting Molding ShellsJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(4):205-216.熔模铸造型壳用材料研究进展 王迪1，李九霄1，董安平2a,2b，隋大山2a，刘明亮1，王旭彤1，孙红飞1，赵志伟1（1.上海工程技术大学 材料科学与工程学院，上海 201620；2.上海交通大学 a.上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室 b.金属基复合材料国家重点实验室，上海 200240）摘要：近年来，随着熔模铸造发展需求的不断提升，我国工业上更多地追求精密铸件，特别是在航空航天领域，这促使着精密铸件向大型化、复杂化、薄壁化、智能化发展，而铸件质量 60%与铸造过程中制备的型壳有关。基于此，综述了现阶段熔模铸造型壳用材料的研究进展，从耐火材料、黏结剂、添加剂 3 个方面总结了其目前的使用和改进情况。介绍了锆系耐火材料、CaO、Y2O3及电熔刚玉几种氧化物面层和背层耐火材料熔融石英、高岭土的应用，现阶段耐火材料的选择更多是根据不同的铸件需求来考虑的，耐火材料的搭配使用和复合耐火材料能够更好地提升型壳质量。对硅溶胶、硅酸乙酯、水玻璃 3 种黏结剂目前遇到的应用问题进行了分析，改进后的硅溶胶得到了更多学者认可，而硅酸乙酯和水玻璃各自有硅溶胶所不具备的优点，根据需求搭配使用更能体现三者各自的优点。总结了添加剂中常用细化剂、消泡剂、矿化剂的作用及其使用情况，现阶段添加剂的使用研究更为重要，合理地使用添加剂对整个制壳过程起到举足轻重的作用。目前我国的智能铸造发展还不是很成熟，尤其是在型壳制备方面，而未来绿色铸造和智能铸造是值得研究的重点方向。关键词：熔模铸造；精密铸件；耐火材料；黏结剂；添加剂；智能铸造 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.04.022 中图分类号：TG221.1 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)04-0205-12 Research Progress of Materials for Investment Casting Molding Shells WANG Di1,LI Jiu-xiao1,DONG An-ping2a,2b,SUI Da-shan2a,LIU Ming-liang1,WANG Xu-tong1,SUN Hong-fei1,ZHAO Zhi-wei1 (1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.a.Shanghai Key Lab of Advanced High-temperature Materials and Precision Forming,b.State Key Lab of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)206 精 密 成 形 工 程 2023 年 4 月 ABSTRACT:With the development demand of investment casting increasing,in recent years,there is more pursuit of precision castings in China,especially in aerospace,which promotes the development of precision castings to be large,complex,thin-walled and intelligent.And 60%of casting quality is related to the shell prepared in the casting process.Based on this,the research progress of investment casting shell materials at the present stage was summarized,and the current use and improve-ment were summarized in terms of refractory materials,binders and additives.The application of zirconium refractories,CaO,Y2O3 and fused quartz and kaolin in surface and back layer refractories of fused alumina were introduced.At present,the selec-tion of refractories is more considered according to different casting needs.The combination of refractories and composite re-fractories can better improve the quality of shells.The current application problems on three kinds of binder,namely silica sol,ethyl silicate,sodium silicate,were analyzed.The improved silica sol has been recognized by more scholars.Ethyl silicate and sodium silicate respectively have the advantages that silica sol does not have.Using them in a combined way according to the needs can reflect their own advantages.The functions and applications of refiners,defoaming agents and mineralizing agents commonly used in additives were summarized.At present,the research on the use of additives is more important.Reasonable use of additives will play a pivotal role in the whole process of shell making.At present,the development of intelligent casting in China is not mature,especially in the aspect of the shell preparation.The green casting and intelligent casting are the key di-rections worthy of research in the future.KEY WORDS:investment casting;precision castings;refractory;binder;additive;intelligent casting 中国传统的“失蜡铸造”就是现在的熔模铸造，最早起源于春秋时期，对世界的冶金发展有着很大影响。熔模铸造具有铸件尺寸精度较高、表面光洁度高、可铸造出复杂铸件等优点。对于铸造大型薄壁铸件，熔模铸造是成本最低、效率最高的铸造工艺。型壳的制备是整个熔模铸造的一道重要工序，型壳经过如图 1 所示的工艺流程制备而成，铸件的性能与所制备型壳的质量有很大关系，其中主要与制备型壳的材料有关，据统计，铸件废品中约有 60%是由于型壳缺陷造成的。型壳主要是由耐火材料、黏结剂、添加剂组成。其中，耐火材料又可分为浆料用耐火材料和撒砂用耐火材料，根据工艺的需要可以选择搭配使用。型壳浆料分为面层浆料、过渡层浆料、背层浆料1。黏结剂在制备型壳时起到黏结浆料的作用，大多是加入浆料中使用。添加剂在制备型壳过程中起到辅助作用，可以提高铸件的表面质量和型壳性能。现阶段制备型壳的材料比较复杂，目前没有详细的制壳工艺和制壳材料。随着 4.0 战略的提出，制造业向着先进、高效、高质量方向快速发 展，传统的制壳技术不能满足现代化产业的需求，智能制壳技术受到越来越多学者的关注2。图 2 是智能制壳生产线示意图，其集成了 PLC 电气控制系统，通过自动化控制、RPID 计算机识别和监测，最终实现型壳的全自动制造3。智能铸造不仅可以生产高质量的铸件，还可以有效减少环境污染，符合绿色铸造理念。近几年来，有关熔模铸造型壳的研究越来越多，其中对型壳的优化改进是重点研究方向。文中分析了不同耐火材料、黏结剂、添加剂的使用情况，介绍了型壳材料性能及优化的研究进展，并展望了未来型壳制备的发展趋势。1 耐火材料 型壳中耐火材料约占其质量的 90%4，所以耐火材料的选择对型壳的质量、性能，以及对铸件十分重要。型壳耐火材料组成如图 3 所示，一般对耐火材料的要求是有高的耐火性