The experimental methodology in this research work was divided into three components.

First, the study investigated the formulation and characterization of a suitable nonreactive coating for titanium casting applications.The coating was evaluated with steel Certsman castings, which are designed to test for metal penetration into the mold. Trial cylindrical mold metal reactivity molds were produced using a ceramic bonded with the furan and sodium silicate binder systems to evaluate the two binder systems. Molds were also made using alumina and zirconia aggregates to compare the specialty aggregates.Preliminary titanium casting trials were held at Iowa State University, Ames, Iowa, where the molds were poured. THE alpha case layer formed was measured.

The final component of the testing involved titanium casting trials at the Rock Island Arsenal, Rock Island, Ill. Silica sand molds and the newly developed refractory coating were used.The alpha case layer of titanium was correlated to the preliminary trials. To evaluate the aggregates, binder systems and coating, a lab-scale glovebox-based melting system was designed and fabricated at lowa State University.

The system was used for autogenous weld passes for systematic investigation of cooling rate effects on solidification structure; cold-crucible melting with direct-chill solidification; and inertlvacuum arc-melting and tiltpour casting to study solidification in shape castings and the performance of various mold materials chemical compatibility, cooling behavior and interface heat transfer.

The overall system is shown in Fig. 1. A water-cooled copper hearth was integrated into a tiltpour system to operate within the glove box containment system.The hearth and pouring assembly were then adapted to accommodate the molds.This is shown in Fig.2. Vickers micmhardness was measured for all castings starting from the alpha case layer down to the base metal, where the hardness flattens out.The depth was recorded at the same time.

The titanium alloy used at Rock Island Arsenal was titanium with 6% aluminum and 4% vanadium (TiAl6V4). The solidification behavior of this alloy was provided by the University of Iowa.

Based on the solidification results, a wedge casting was designed which enabled the evaluation of alpha-case layer defects with respect to different section thicknesses of the casting and different cooling rates.This is shown in Fig. 3. An equipment vendor produced the test mold using a 3-D printer. Silica sand with a 105 AFS-GFN was the aggregate and a furan binder system was used. The mold was coated with the EAC. A Baumé of 80 was used.The test mold is shown in Fig. 4.

The molds were poured at Rock Island Arsenal using a vacuum induction melting Furnace and vacuum pouring chamber.'Ihe resulting casting was sectioned according to predeterminedthicknesses.The cross sections were then evaluated for its microhardness using a Buehler microhardness tester.A magnification of SOOX was used with a load of 500 g (1.1 lb.), and the microhardness was measured across all cross sections in steps ofS0-150 micrometers. Charts were plotted using the depth in micrometers for the X axis and the microhardness for the Y axis.

Results and Conclusions

L Zahn cup, viscosity and percent solid results from the coating characterization were plotted against the respective Baumé to detennine a suitable Baumé for coating cores and molds. A target range of 10-15 seconds for zahn cup measurement and 75% solid fraction were set as optimal for coating applications.

A Baumé of 78 or 80 resulted in desired viscosity and percent solids results for the experimental alumina coating (EAC). It was decided to coat the test molds and cores at a Baumé of 80. Table 1 shows the detailed results obtained from the tests.

Ceramic and silica sand Gertzmann cores bonded with furan binder system were placed in the molds. Low alloy steel with a target chemistry of 0.3 % carbon, 0.6% silicon and 0.5% manganese was poured in these molds with a target pouring temperature of 2,912F (1,600C). Later, the castings were cleaned and photographed. Figures S and 6 show the castings from cores made of ceramic and silica sand. Both cores were coated with the experimental alumina coating (EAC). lt can be seen that both the castings with the EAC have no visible defects except for a small area of sand burn on the bottom of the casting made of the ceramic sand. From the steel casting results, it can be seen that the EAC is effective in forming a protective layer around the core. As a result, it was decided to use theEAC for the preliminary casting trials of titanium at Iowa State University and evaluate the performance of the coating in titanium castings.

Thee coupled expansion and viscosity results for uncoated silica sand bonded with the furan binder follow an expansion pattern typical of silica sand. An Alpha-Beta transition is seen at approximately 1,063F (573C). A peak at higher temperatures, which corresponds to the cristobalite transition in silica sand, also denotes the sintering temperature of the sample, when sand grains partially melt and start fusing to each other.The temporary increase in viscosity at this stage depicts an increase in the strength of the core or mold due to partial filsion of the sand grains.The viscosity measurement can be used as an indication to the extent of the same.

From the expansion and viscosity results for the coated silica sand sample, it was detennined that the peak expansión at the alpha-beta phase transition was reduced. A peak expansion of 0.007 in./in. (0.018 cm/cm) was measured. Rather than a contraction after 1,112F (600C), a steady expansion was observed until the cristobalite phase transition.This behavior prevented the coated core or moldfiom cracking from high strain caused by contraction of the sample. An increase in viscosity vs. the uncoated sample lead to higher strength, enabling the core to withstand higher temperatures. As mentioned earlier, four molds were cast with titanium at the Iowa State University. All molds were coated with the EAC.Thc resulting mold metal reactivity molds castings were evaluated for alpha-case depth. Vickers hardness was measured for all castings and the extent and depth of the alpha layer was mcasurcd. A chart was plotted with the depth in microns on X axis and Vickers hardness on Y axis. ln all cases, it was seen that the hardness was initially high at a lower depth and decreased with depth till the base layer of titanium was reached. At this point, the hardness stabilizes and is representative ot’thc unafiected base metal.

The base layer of titanium is reached at approximately 350 VHN. With the exception of ceramic with sodium silicate binder system, the other three samples have similar results. Zirconia with sodium silicatc,alumina with sodium silicate and ceramic with Furan recorded an alpha case layer depth of 115 microns, 129 microns and 160 microns,respectively. Ceramic with sodium silicate recorded an alpha case layer depth of 237 microns.The results are in Table 2.

The performance of the ceramic with fiiran resin compares well with those of Specialty aggregates such as Alumina or Zirconia.'lhe alpha case layer depths recorded for all samples in the preliminary casting trials is comparable to investment casting of titanium. the EAC is believed to have played a major role in protecting the base layer of the core from being reduced by titanium. This can be explained from the similarity seen in the results for the four samples.

Titanium castings were poured using 3D printer molds at Rock Island Arsenal. The mold was oated with EAC and dricd before pouring.The resulting castings were sectioned and evaluated for microhardness (Vickers).

The wedge casting had different section thicknesses to evaluate the effect of cooling rate on the formation of alpha case layer defects.The results were similar across the sections.This shows the different cooling rates in the casting did not play an active part in the formation of the alpha-case layer defect of titanium.

The base layer was measured to be at approximately 350 VHN (see Table 3). The results from the experiments at Rock Island Arsenal were compared with previous results from Iowa State University to check for variances. The results were similar between the pour at the two facilitiesThe silica sand casting has a maximum hardness of544 VHN compared to a hardness of 587.8 VHN for the ceram ic with sodium silicate.

For the same section thickness, a hardness of 510.89 was measured with ceramic sand and furan resin compared to 544 for the silica sand casting. Hence, similar alpha case layer depth was measured with the 3D printed silica sand mold.The results are comparable to the Specialty aggregates tested in the preliminary trials.

In conclusion, the research indicated that by using a specially designed refractory coating, titanium castings could be produced to an acceptable quality level in silica sand molds.The refractory coating cfïectively prevented the molten titanium from reacting with the base molding material. This was evidenced by the depth of the oxygen rich alpha-case layer exhibited in the experimental castings. Large-scale experimental castings agreed well with laboratory scale castings.

From all the testing done and looking at the final casting results, it can be concludcd that using rapid prototyping technology to produce silica sand molds and using an efiective refractory coating such as a water-based alumina coating, the alpha-case layer defect in titanium castings can bc reduced to a large extent in sand casting. ln addition,3-D printed molds provided the quality and integrity required to pour titanium castings, as long as the surface was protected with a

nonreactive refractory coating. This technology has the potential to reduce the cost of titanium castings and increase their use in land-based applications.

La metodología experimental en este trabajo de investigación se dividió en tres componentes.

En primer lugar, el estudio investigó la formulación y caracterización de un revestimiento no reactivo adecuado para el recubrimiento applications.The de fundición de titanio se evaluó con piezas fundidas Certsman de acero, que están diseñados para la prueba de penetración de metal en el molde. Cilíndricos Trial molde de metal moldes de reactividad se produjeron usando una cerámica unido con los sistemas aglutinantes de silicato de furano y sodio para evaluar los dos sistemas aglutinantes. Moldes también se hicieron utilizando alúmina y circonio agregados de comparar se celebraron las pruebas de la especialidad de fundición de titanio aggregates.Preliminary en la Universidad Estatal de Iowa, Ames, Iowa, donde se vertieron los moldes. Se midió la capa de funda alfa formado.

El componente final de las pruebas involucrados ensayos de fundición de titanio en el Rock Island Arsenal, Rock Island, Illinois. Moldes de arena de sílice y el revestimiento refractario de nuevo desarrollo eran utilizado.Una capa caso alfa de titanio fue correlacionada con los ensayos preliminares. Para evaluar los agregados, sistemas de aglutinante y el revestimiento, un sistema de fusión basada guantera-escala de laboratorio fue diseñado y fabricado en la Universidad Estatal de Iowa.

El sistema se utiliza para la soldadura autógena pasa para la investigación sistemática de los efectos del tipo de enfriamiento de solidificación estructura fi cación; fusión fría-crisol con el enfriamiento directo solidi fi cación; y inertlvacuum arco de fusión y colada tiltpour para estudiar cación solidifica en piezas fundidas de forma y el rendimiento de varios compatibilidad química materiales de molde, el comportamiento de refrigeración y transferencia de calor interfaz.

El sistema global se muestra en la Fig. 1. Un hogar de cobre refrigerado por agua fue integrado en un sistema de tiltpour para operar dentro de la guantera system.The contención hogar y montaje de colada fueron entonces adaptado para acomodar la molds.This se muestra en la Fig.2. Vickers micmhardness se midió para todas las piezas fundidas a partir de la funda alfa Capa inactiva al metal base, donde la dureza aplana salida.El profundidad se registró al mismo tiempo.

La aleación de titanio usado en Rock Island Arsenal era de titanio con 6% de aluminio y 4% de vanadio (TiAl6V4). El comportamiento de la solidificación de esta aleación fue proporcionado por la Universidad de Iowa.

Basándose en los resultados de solidificación, un casting de cuña se diseñó lo que permitió la evaluación de defectos en la capa alfa-caso con respecto a las diferentes secciones espesores de la fundición y diferentes rates.This refrigeración se muestra en la figura. 3. Un proveedor de equipos

a fabricar un molde de prueba utilizando una impresora 3-D. La arena de sílice con un 105 AFS-GFN se utilizó fue el agregado y un sistema aglutinante de furano. El molde se recubre con la EAC. Un Baumé de 80 era utilizado.Una molde de prueba se muestra en la Fig. 4.

Los moldes se vertieron en el Rock Island Arsenal usando una inducción al vacío horno de fusión y colada al vacío chamber.'Ihe vertido resultante se seccionaron acuerdo con secciones transversales predeterminedthicknesses.The fueron evaluados por su microdureza utilizando un Buehler tester.A microdureza magni fi cación de SOOX se utilizó con una carga de 500 g (1,1 libras), y la microdureza se midió a través de todas las secciones transversales en los pasos micrómetros ofS0-150. Gráficas se representaron usando la profundidad en micrómetros para el eje X y la microdureza para el eje Y.

Resultados y Conclusiones

L copa Zahn, la viscosidad y el porcentaje de sólidos resultados de la caracterización de recubrimiento se representaron frente a la respectiva Baumé a detennine un Baumé adecuado para revestir núcleos y moldes. Un rango objetivo de 10 a 15 segundos para la medición copa Zahn y 75% fracción sólida se establece como óptimo para aplicaciones de recubrimiento.

Un Baumé de 78 o 80 dio lugar a los resultados deseados de la viscosidad y el porcentaje de sólidos para el recubrimiento de alúmina experimental (EAC). Se decidió para recubrir los moldes de ensayo y núcleos en un Baumé de 80. La Tabla 1 muestra los resultados detallados obtenidos a partir de las pruebas.

Arena Gertzmann núcleos de cerámicas y de sílice unidos con el sistema ligante de furano fueron colocados en los moldes. Acero de baja aleación con una química objetivo de 0,3% de carbono, 0,6% de silicio y 0,5% de manganeso se vertió en estos moldes con una temperatura objetivo vertido de 2,912F (1,600C). Más tarde, las piezas fundidas se limpiaron y se fotografiaron. Figuras S y 6 muestran las coladas de núcleos hechos de arena de cerámica y sílice. Ambos núcleos se recubrieron con el recubrimiento de alúmina experimental (EAC). lt puede ser visto que tanto las piezas de fundición con el EAC no tienen defectos visibles a excepción de una pequeña área de quemadura de arena en la parte inferior de la fundición, de la arena de cerámica. De los resultados de acero de fundición, se puede observar que la EAC es eficaz en la formación de una capa protectora alrededor del núcleo. Como resultado, se decidió utilizar theEAC para los ensayos preliminares de fundición de titanio en la Universidad del Estado de Iowa y evaluar el desempeño del recubrimiento en piezas de fundición de titanio.

Thee de expansión y viscosidad acoplados resultados para la arena de sílice sin recubrimiento unido con el aglutinante de furano siguen un patrón de expansión típica de arena de sílice. Una transición Alfa-Beta se ve en aproximadamente 1,063F (573C). Un pico a temperaturas más altas, que corresponde a la transición cristobalita en arena de sílice, también denota la temperatura de sinterización de la muestra, cuando los granos de arena parcialmente funden y empiezan a fundir a cada aumento temporal other.The de la viscosidad en esta etapa representa un aumento en el la

fuerza del núcleo o molde debido a lsion fi parcial de la medición de la viscosidad grains.The arena se puede utilizar como una indicación para el grado de la misma.

De la expansión y de la viscosidad resultados para la muestra de arena de sílice revestida, se detennined que la expansión pico en la transición de fase alfa-beta se redujo. Una expansión pico de 0,007 pulg. / Pulg. (0,018 cm / cm) se midió. En lugar de una contracción después de 1,112F (600C), se observó una expansión constante hasta que la cristobalita comportamiento transition.This fase impedido el núcleo o molde fi om recubierto de craqueo de alta tensión causada por la contracción de la muestra. Un aumento de la viscosidad frente a la ejecución de la muestra no recubierta para mayor resistencia, lo que permite el núcleo para soportar temperaturas más altas. Como se mencionó anteriormente, cuatro moldes fueron arrojados con titanio en la Universidad Estatal de Iowa. Todos los moldes se recubrieron con la EAC.Thc resultante del molde moldes de fundición de metal de reactividad se evaluaron para la profundidad de alfa-caso. Vickers dureza se midió para todas las fundiciones y de la extensión y profundidad de la capa alfa se mcasurcd. Un gráfico se representó con la profundidad en micras en el eje X y la dureza Vickers en el eje Y. En todos los casos, se observó que la dureza fue inicialmente alta a una profundidad inferior y disminuyó con la profundidad hasta que se llegó a la capa de base de titanio. En este punto, la dureza se estabiliza y es representativa ot'thc metal de base unafiected.

La capa de base de titanio se alcanza en aproximadamente 350 VHN. Con la excepción de cerámica con sistema aglutinante de silicato de sodio, las otras tres muestras tienen resultados similares. Zirconia con silicatc de sodio, alúmina con silicato de sodio y de cerámica con Furan registró una profundidad de la capa de alpha case de 115 micras, 129 micras y 160 micras, respectivamente. Cerámica con silicato de sodio registró una profundidad capa caso alfa de 237 resultados microns.The están en la Tabla 2.

El rendimiento de la cerámica con resina fiiran compara bien con los de otros agregados tales como alúmina o Zirconia.'lhe profundidades de la capa de casos alfa grabadas para todas las muestras en los ensayos preliminares de fundición es comparable a la fundición de precisión de titanio. la EAC se cree que han desempeñado un papel importante en la protección de la capa de base del núcleo de reducirse por titanio. Esto se puede explicar a partir de la similitud observada en los resultados para las cuatro muestras.

Piezas de fundición de titanio se vertieron en moldes impresora 3D en Rock Island Arsenal. El molde se oated con EAC y dricd antes se seccionaron y se evaluó la microdureza (Vickers) pouring.The coladas resultantes.

El casting de cuña tenía diferentes espesores de sección para evaluar el efecto de la velocidad de enfriamiento sobre la formación de la capa de funda alfa resultados defects.The fueron similares en toda la sections.This muestra las diferentes velocidades de enfriamiento en el casting no jugaron un papel activo en la formación de el defecto capa alfa-caso de titanio.

La capa de base se midió que era de aproximadamente 350 VHN (véase la Tabla 3). Los resultados de los experimentos en Rock Island Arsenal se compararon con los resultados previos de la Universidad Estatal de Iowa para comprobar si hay variaciones. Los resultados fueron similares entre el vertido a los dos colada InstalacionesEl arena de sílice tiene una dureza máxima of544 VHN en comparación con una dureza de 587,8 VHN para el ic Ceram con silicato de sodio.

Por el mismo espesor de corte, una dureza de 510.89 se midió con arena cerámica y resina de furano en comparación con 544 para el moldeo en arena de sílice. Por lo tanto, la profundidad de la capa alfa caso similar se mide con los resultados mold.The arena de sílice impresas en 3D son comparables a los agregados especiales probados en los ensayos preliminares.

En conclusión, la investigación indicó que mediante el uso de un revestimiento refractario especialmente diseñado, piezas de fundición de titanio pueden ser producidos a un nivel de calidad aceptable en la arena de sílice molds.The revestimiento refractario cfïectively impidieron que el titanio fundido reaccione con el material de moldeo de base. Esto se evidenció por la profundidad de la capa de alfa-caso rica en oxígeno expuesto en las piezas coladas experimentales. Coladas experimentales a gran escala son concordantes con piezas de fundición a escala de laboratorio.

De todas las pruebas hecho y mirar los resultados casting final, se puede concludcd que el uso de tecnología de prototipado rápido para producir moldes de arena de sílice y el uso de un revestimiento refractario efiective tal como un revestimiento de alúmina a base de agua, el defecto capa alfa-caso en titanio piezas fundidas pueden bc reducido en gran medida en la fundición en arena. En adición, 3-D moldes impresos siempre la calidad y la integridad requerida para verter piezas de fundición de titanio, siempre y cuando la superficie estaba protegido con un revestimiento refractario no reactivo. Esta tecnología tiene el potencial de reducir el coste de piezas de fundición de titanio y aumentar su uso en aplicaciones terrestres.