CN101734910A - 一种多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法 - Google Patents

一种多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法 Download PDF

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一种多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，原料采用电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉、TiO2粉和石蜡，将电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉混合，将油浴坩埚式搅拌器加热至100～120℃，将石蜡加入到油浴坩埚式搅拌器中熔化，将混合粉料加入到石蜡中，搅拌，得到混合料浆；采用液压压芯机压制型芯，控制混合料浆的温度95～110℃，注射压力3.0～3.5MPa；将压制好的型芯采用钟罩式烧结炉焙烧。本发明制备的多孔氧化铝陶瓷型芯孔隙率为45％～55％，能有效改善型芯的脱芯性能。

Description

一种多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，涉及涡轮空心单晶或定向叶片的精铸技术，具体涉及陶瓷型芯的制备方法。
背景技术
航空发动机涡轮叶片用氧化铝陶瓷型芯制造技术是制造复杂内腔涡轮叶片的关键技术之一。由于氧化铝陶瓷型芯具有硅基型芯无法比拟的热强性和热稳定性，而且电熔刚玉在型芯焙烧和使用过程中没有晶型转变，结构稳定，与刚玉型壳具有相匹配的线膨胀系数，非常适合铸造单晶及共晶叶片。但氧化铝陶瓷型芯脱芯难的问题一直困扰其应用。为解决氧化铝陶瓷型芯脱芯难的问题，俄罗斯采用高温高压碱煮法脱出氧化铝型芯，由于温度和压力要求太高，工艺上存在危险。美国GE公司在此方面也取得重大突破，其研制成功的复合型芯，即型芯外层具有坚实密集的表面，而内部却具有蜂窝状多孔结构，型芯具有40％～60％的孔隙率，70Kg/cm2的机械强度，使其获得了良好的退让性，从而能够有效地防止金属在凝固收缩过程中，因受型芯阻碍而在铸件内腔产生热裂纹，多孔的内部结构能使腐蚀液较快地溶解型芯，从而达到脱出型芯的目的。
我国对氧化铝陶瓷型芯的研究已经进行多年，尤其是北京航空材料研究院对氧化铝型芯的研究已经取得长足进展，其研制的AC-1、AC-2型氧化铝陶瓷型芯已经开始在定向和单晶叶片的生产中使用。由于其孔隙率分别为34％和37％，脱芯仍比较困难。表1为国内外几种氧化铝型芯的性能。
表1国内外几种氧化铝型芯的性能
Figure G2009102204572D00011
发明内容
针对以上航空发动机涡轮叶片用氧化铝陶瓷型芯制造技术存在的问题，本发明提供一种多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，以解决氧化铝陶瓷型芯脱芯难的问题。
制备本发明的多孔氧化铝陶瓷型芯的原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉、矿化剂和增塑剂。
多孔型α-Al2O3粉的制备方法如下。
以粒度为10～50μm的γ-Al2O3粉为原料，采用箱式高温电炉，将γ-Al2O3粉进行高温煅烧，煅烧温度1400℃～1500℃，时间3～5小时。随炉冷却至常温，将煅烧后的产物球磨至粒度为1～25μm，得到多孔型α-Al2O3粉。
矿化剂采用TiO2粉，增塑剂采用石蜡。原料粒度要求为：电熔刚玉粉20～80μm，多孔型α-Al2O3粉1～25μm，TiO2粉1～10μm。
本发明的多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法如下。
(1)配料
按照质量百分比计，原料配比为：电熔刚玉粉43％～55％，多孔型α-Al2O3粉43％～55％，TiO2粉1％～2％。
按质量百分比计，石蜡的量为电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉总量的15％～22％。
(2)制备混合粉料
将原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉放入球磨罐中，球磨混料1～3小时，将混合的物料烘干，烘干温度140～160℃，时间3～6小时，得到混合粉料。
(3)制备混合料浆
将油浴坩埚式搅拌器加热至100～120℃，将石蜡加入到油浴坩埚式搅拌器中，待石蜡全部熔化后将混合粉料加入到石蜡中，搅拌，控制搅拌速率50～150转/分钟，时间12～15小时，得到混合料浆。
(4)压制型芯
采用液压压芯机压制型芯，控制混合料浆的温度95～110℃，注射压力3.0～3.5MPa。
(5)型芯焙烧
将压制好的型芯采用钟罩式烧结炉焙烧，升温制度如下。
以5～8℃/分钟的升温速率升温至150～200℃，保温3～5小时，以5～8℃/分钟的升温速率升温至300～400℃，保温1～3小时，以5～8℃/分钟的升温速率升温至500～600℃，保温0.5～1.5小时，以8～12℃/分钟的升温速率升温至800～1000℃，保温0.5～1.5小时，以1～3℃/分钟的升温速率升温至1200～1400℃，保温5～6小时，然后随炉冷却至200～300℃，打开炉门，自然冷却至常温。
电熔刚玉粉颗粒为实体型，多孔型α-Al2O3粉为空心型，空心型α-Al2O3粉加入到实体型电熔刚玉粉中作为型芯的基体材料，有效提高了型芯的孔隙率，本发明制备的多孔氧化铝陶瓷型芯孔隙率为45％～55％，能有效改善型芯的脱芯性能。
具体实施方式
以下通过实施例进一步说明本发明的方法。
实施例1
制备多孔氧化铝陶瓷型芯的原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉、矿化剂和增塑剂。
多孔型α-Al2O3粉的制备方法如下。
以粒度为30μm的γ-Al2O3粉为原料，采用箱式高温电炉，将γ-Al2O3粉进行高温煅烧，煅烧温度1450℃，时间4小时。随炉冷却至常温，将煅烧后的产物球磨至粒度为12μm，得到多孔型α-Al2O3粉。
矿化剂采用TiO2粉，增塑剂采用石蜡。原料粒度要求为：电熔刚玉粉50μm，多孔型α-Al2O3粉12μm，TiO2粉5μm。
多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法如下。
(1)配料
按照质量百分比计，原料配比为：电熔刚玉粉49％，多孔型α-Al2O3粉49.5％，TiO2粉1.5％。
按质量百分比计，石蜡的量为电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉总量的18％。
(2)制备混合粉料
将原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉放入球磨罐中，球磨混料2小时，将混合的物料烘干，烘干温度150℃，时间4小时，得到混合粉料。
(3)制备混合料浆
将油浴坩埚式搅拌器加热至110℃，将石蜡加入到油浴坩埚式搅拌器中，待石蜡全部熔化后将混合粉料加入到石蜡中，搅拌，控制搅拌速率100转/分钟，时间13小时，得到混合料浆。
(4)压制型芯
采用液压压芯机压制型芯，控制混合料浆的温度100℃，注射压力3.2MPa。
(5)型芯焙烧
将压制好的型芯采用钟罩式烧结炉焙烧，升温制度如下。
以6.5℃/分钟的升温速率升温至180℃，保温4小时，以6.5℃/分钟的升温速率升温至350℃，保温2小时，以6.5℃/分钟的升温速率升温至550℃，保温1小时，以10℃/分钟的升温速率升温至900℃，保温1小时，以2℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温5.5小时，然后随炉冷却至250℃，打开炉门，自然冷却至常温。
实施例2
制备多孔氧化铝陶瓷型芯的原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉、矿化剂和增塑剂。
多孔型α-Al2O3粉的制备方法如下。
以粒度为50μm的γ-Al2O3粉为原料，采用箱式高温电炉，将γ-Al2O3粉进行高温煅烧，煅烧温度1500℃，时间3小时。随炉冷却至常温，将煅烧后的产物球磨至粒度为25μm，得到多孔型α-Al2O3粉。
矿化剂采用TiO2粉，增塑剂采用石蜡。原料粒度要求为：电熔刚玉粉80μm，多孔型α-Al2O3粉25μm，TiO2粉10μm。
多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法如下。
(1)配料
按照质量百分比计，原料配比为：电熔刚玉粉55％，多孔型α-Al2O3粉43％，TiO2粉2％。
按质量百分比计，石蜡的量为电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉总量的22％。
(2)制备混合粉料
将原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉放入球磨罐中，球磨混料3小时，将混合的物料烘干，烘干温度160℃，时间3小时，得到混合粉料。
(3)制备混合料浆
将油浴坩埚式搅拌器加热至120℃，将石蜡加入到油浴坩埚式搅拌器中，待石蜡全部熔化后将混合粉料加入到石蜡中，搅拌，控制搅拌速率150转/分钟，时间12小时，得到混合料浆。
(4)压制型芯
采用液压压芯机压制型芯，控制混合料浆的温度110℃，注射压力3.5MPa。
(5)型芯焙烧
将压制好的型芯采用钟罩式烧结炉焙烧，升温制度如下。
以8℃/分钟的升温速率升温至200℃，保温3小时，以8℃/分钟的升温速率升温至400℃，保温1小时，以8℃/分钟的升温速率升温至600℃，保温0.5小时，以12℃/分钟的升温速率升温至1000℃，保温0.5小时，以3℃/分钟的升温速率升温至1400℃，保温5小时，然后随炉冷却至300℃，打开炉门，自然冷却至常温。
实施例3
制备多孔氧化铝陶瓷型芯的原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉、矿化剂和增塑剂。
多孔型α-Al2O3粉的制备方法如下。
以粒度为10μm的γ-Al2O3粉为原料，采用箱式高温电炉，将γ-Al2O3粉进行高温煅烧，煅烧温度1400℃，时间5小时。随炉冷却至常温，将煅烧后的产物球磨至粒度为1μm，得到多孔型α-Al2O3粉。
矿化剂采用TiO2粉，增塑剂采用石蜡。原料粒度要求为：电熔刚玉粉20μm，多孔型α-Al2O3粉1μm，TiO2粉1μm。
多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法如下。
(1)配料
按照质量百分比计，原料配比为：电熔刚玉粉44％，多孔型α-Al2O3粉55％，TiO2粉1％。
按质量百分比计，石蜡的量为电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉总量的15％。
(2)制备混合粉料
将原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉放入球磨罐中，球磨混料1小时，将混合的物料烘干，烘干温度140℃，时间6小时，得到混合粉料。
(3)制备混合料浆
将油浴坩埚式搅拌器加热至100℃，将石蜡加入到油浴坩埚式搅拌器中，待石蜡全部熔化后将混合粉料加入到石蜡中，搅拌，控制搅拌速率50转/分钟，时间15小时，得到混合料浆。
(4)压制型芯
采用液压压芯机压制型芯，控制混合料浆的温度95℃，注射压力3.0MPa。
(5)型芯焙烧
将压制好的型芯采用钟罩式烧结炉焙烧，升温制度如下。
以5℃/分钟的升温速率升温至150℃，保温5小时，以5℃/分钟的升温速率升温至300℃，保温3小时，以5℃/分钟的升温速率升温至500℃，保温1.5小时，以8℃/分钟的升温速率升温至800℃，保温1.5小时，以1℃/分钟的升温速率升温至1200℃，保温6小时，然后随炉冷却至200℃，打开炉门，自然冷却至常温。

Claims (5)

1.一种多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤为：
(1)配料
按照质量百分比计，原料配比为：电熔刚玉粉43％～55％，多孔型α-Al2O3粉43％～55％，TiO2粉1％～2％；按质量百分比计，石蜡的量为电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉总量的15％～22％；
(2)制备混合粉料
将原料电熔刚玉粉、多孔型α-Al2O3粉和TiO2粉放入球磨罐中，球磨混料1～3小时，将混合的物料烘干，得到混合粉料；
(3)制备混合料浆
将油浴坩埚式搅拌器加热至100～120℃，将石蜡加入到油浴坩埚式搅拌器中，待石蜡全部熔化后将混合粉料加入到石蜡中，搅拌，得到混合料浆；
(4)压制型芯
采用液压压芯机压制型芯，控制混合料浆的温度95～110℃，注射压力3.0～3.5MPa；
(5)型芯焙烧
将压制好的型芯采用钟罩式烧结炉焙烧，升温制度如下：
以5～8℃/分钟的升温速率升温至150～200℃，保温3～5小时，以5～8℃/分钟的升温速率升温至300～400℃，保温1～3小时，以5～8℃/分钟的升温速率升温至500～600℃，保温0.5～1.5小时，以8～12℃/分钟的升温速率升温至800～1000℃，保温0.5～1.5小时，以1～3℃/分钟的升温速率升温至1200～1400℃，保温5～6小时，然后随炉冷却至200～300℃，打开炉门，自然冷却至常温。
2.按照权利要求1所述的多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，其特征在于电熔刚玉粉粒度20～80μm，多孔型α-Al2O3粉粒度1～25μm，TiO2粉粒度1～10μm。
3.按照权利要求1所述的多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，其特征在于多孔型α-Al2O3粉的制备方法为：以粒度为10～50μm的γ-Al2O3粉为原料，采用箱式高温电炉，将γ-Al2O3粉进行高温煅烧，煅烧温度1400℃～1500℃，时间3～5小时，随炉冷却至常温，将煅烧后的产物球磨至粒度为1～25μm，得到多孔型α-Al2O3粉。
4.按照权利要求1所述的多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤(2)中，烘干温度140～160℃，时间3～6小时。
5.按照权利要求1所述的多孔氧化铝陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤(3)中，搅拌为速率50～150转/分钟，时间12～15小时。
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