CN102489670B - 支板成型用陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浇注成型陶瓷型芯材料及其制备方法，该陶瓷型芯包括：不同粒度的电熔刚玉粉、有机纤维、氯化铵和硅溶胶；所述不同粒度的电熔刚玉粉，其氧化铝含量≥99wt％，粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目；粒度为20-40目的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的质量百分比为30％-70％；有机纤维的长度0.1-3mm，直径20-200μm，加入量为所述电熔刚玉粉质量的1-20％；氯化铵的加入量为电熔刚玉粉的0.08-0.12％；该硅溶胶的质量为所述电熔刚玉粉、有机纤维和氯化铵的质量总和的60-70％。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有空心支板的大型铸件的熔模铸造技术，特别是一种用于航空发动机机匣类环形铸件空心支板成型用氧化铝基陶瓷型芯材料及制备方法。
背景技术
增加航空发动机涡轮前进气温度和减重是提高其推重比的主要途径。构成航空发动机的主要承力部件，如高温合金后机匣、钛合金中介机匣等部件的结构设计也日趋复杂，因此对其金属基体材料及其加工技术提出了更加苛刻的要求。从世界航空发达国家发展的历程和未来趋势看，在发动机推力一定的情况下，通过机匣类铸件薄壁化设计和采用整体精铸技术，使发动机本身减重并且提高可靠性，大大提升了发动机性能，也是提高推重比的有效途径之一。
近净形熔模精密铸造技术是国内外制备发动机机匣类结构件最重要的技术。该技术通过采用可熔失的蜡料压制蜡模，然后制作陶瓷型壳，脱蜡后对陶瓷型壳进行焙烧，最后将熔融的金属浇注到型壳中，待金属凝固、冷却后清壳，即得到所需的铸件。通过对铸型材料以及对铸件成型过程中各工艺环节和工艺因素的严格控制，可获得工作面无需机械加工或只进行局部打磨的近净形铸件。因此熔模精密铸造技术具有铸造尺寸精度高、表面粗糙度低、可用于铸造形状复杂(特别是内腔复杂)的大型薄壁件和整体件的优点。
航空发动机机匣类部件通常有若干空心支板，为了获得其空心结构，须在陶瓷型壳中的斜支板部位增加陶瓷型芯，待铸件浇注、凝固、冷却后，首先脱除型壳，然后将陶瓷型芯从支板中用机械或化学方法清除，即获得支板具有空心结构的机匣铸件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种支板成型用陶瓷型芯及其制备方
法，以满足航空发动机机匣类铸件的熔模精密铸造技术的需求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种支板成型用陶瓷型芯，其包括：不同粒度的电熔刚玉粉、有机纤维、氯化铵、以及硅溶胶；所述的不同粒度的电熔刚玉粉，其氧化铝含量≥99wt％，粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目；其中，粒度为20-40目的电熔刚玉粉的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的电熔刚玉粉的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的电熔刚玉粉的质量百分比为30％-70％；所述的有机纤维为尼龙纤维、聚氨酯纤维、聚酰胺纤维之一，长度0.1-3mm，直径20-200μm，加入量为所述电熔刚玉粉质量的1-20％；所述的氯化铵，为分析纯，粒度分布在200-325目之间，氯化铵的加入量为电熔刚玉粉的0.08-0.12％；所述的硅溶胶，pH值为8-10，其中二氧化硅胶体粒子的含量≥28wt％；该硅溶胶的质量为所述电熔刚玉粉、有机纤维和氯化铵的质量总和的60-70％。
上述支板成型用陶瓷型芯的制作方法，包括：
第一步，配制粉体原料：将上述不同粒度的电熔刚玉粉、有机纤维和氯化铵粉体加入到V型混料机中，进行强制干混，V型混料机的转速为120转/min，混合时间为12-24h，即得到陶瓷型芯原料；
第二步，配制浆料：将所述陶瓷型芯原料加入到硅溶胶中，用强力搅拌机混合50-70s，即得到陶瓷型芯浇注成型用浆料；
第三步，浇注成型：将所述浆料浇注到铸件熔模铸造用蜡模的支板空腔中，经8-12min后浆料固化，获得固体型芯。该型芯可在铸件浇注后清除，使铸件的支板具有一定尺寸和形状的空心结构。
下面对本发明作进一步的说明：
本发明中所采用的电熔刚玉粉，是构成陶瓷型芯的主体材料，因热膨胀系数很低，所以在焙烧和铸件浇注过程中基本没有尺寸变化，有利于支板空腔尺寸精度的控制。
本发明所采用的有机纤维，其作用是对陶瓷型芯湿坯体提供一定的增强作用，同时避免型芯因焙烧时水分蒸发造成开裂现象的发生；同时，有机纤维在型壳焙烧过程中，因氧化而烧除，使陶瓷型芯在焙烧后产生一定的孔隙，利于型芯的清除。
本发明所采用的氯化铵，是硅溶胶的固化剂，其作用是使硅溶胶在常温下即发生凝胶化，使陶瓷粉体原料粘结在一起，成为具有一定强度的陶瓷型芯。通过调整氯化铵与硅溶胶的比例，可以精确控制陶瓷型芯固化的时间。
本发明所采用的硅溶胶，其作用是作为陶瓷粉体的粘结剂，经与氯化铵发生反应而凝胶化，赋予陶瓷型芯一定的常温强度和高温强度。
本发明具有以下优点：
(1)本发明制备氧化铝基陶瓷芯所用的陶瓷材料主要成分为不同粒度的电熔刚玉粉，电熔刚玉是化学级α-Al2O3经固定式电炉或倾倒式电炉熔融工艺制得，密度高，烧结活性低，热膨胀系数很小。在形成陶瓷型芯后，在焙烧和金属熔体浇注过程中尺寸因热膨胀系数较低，因此尺寸变化很小，不易变形，有利于保持支板空腔的尺寸精度；
(2)本发明所采用的氧化铝基陶瓷型芯材料，其固化时间可以通过调整固化剂氯化铵的加入量来调整，即陶瓷型芯的固化时间随着固化剂加入量的增加而缩短。陶瓷型芯固化时间的可控性保证了操作者能够预留出充分的时间来完成型芯浇注的过程；
(3)本发明所采用的有机纤维，对陶瓷型芯湿坯体能够提供显著的增强作用，并可以避免型芯在焙烧过程中的开裂；同时有机纤维因高温氧化烧除，还可以使陶瓷型芯具有一定的孔隙，利于型芯在浇注之后从铸件支板中清除。
具体实施方式：
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
实施例1：
称取粒度为20-40目的电熔刚玉粉1kg，粒度为50-100目的电熔刚玉粉20g，粒度为200-325目的电熔刚玉粉7kg，尼龙纤维0.1kg，氯化铵0.08kg，放入到V型混料机中，在转速为120转/min的条件下干混12h，获得陶瓷型芯原料粉体，备用。
称取硅溶胶400g，放入到1000ml的烧杯中，然后称取上述原料粉体600g，加入到烧杯中，在强力搅拌的条件下使原料粉体与硅溶胶混合1min，获得流动性能优良的浆料；将浆料浇注到铸件蜡模支板的空腔中，约10min后，浆料固化，即得到具有一定强度的固体陶瓷型芯。
通过机匣实际件的浇注试验，表明机匣支板的壁厚均匀，未出现变形，且尺寸精度合格，浇注结束后，型芯较易从支板空腔中清除。
实施例2：
称取粒度为20-40目的电熔刚玉粉2kg，粒度为50-100目的电熔刚玉粉3kg，粒度为200-325目的电熔刚玉粉3kg，聚氨酯纤维0.25kg，氯化铵0.10kg，放入放入到V型混料机中，在转速为120转/min的条件下干混18h，获得陶瓷型芯原料粉体，备用。
称取硅溶胶400g，放入到1000ml的烧杯中，然后称取上述原料粉体600g，加入到烧杯中，在强力搅拌的条件下使原料粉体与硅溶胶混合1min，获得流动性能优良的浆料；将浆料浇注到铸件蜡模支板的空腔中，约8min后，浆料固化，即得到具有一定强度的固体陶瓷型芯。
通过机匣实际件的浇注试验，表明机匣支板的壁厚均匀，未出现变形，且尺寸精度合格，浇注结束后，型芯易从支板空腔中清除。
实施例3：
称取粒度为20-40目的电熔刚玉粉3kg，粒度为50-100目的电熔刚玉粉3kg，粒度为200-325目的电熔刚玉粉3kg，聚酰胺纤维0.5kg，氯化铵0.12kg，放入放入到V型混料机中，在转速为120转/min的条件下干混24h，获得陶瓷型芯原料粉体，备用。
称取硅溶胶400g，放入到1000ml的烧杯中，然后称取上述原料粉体600g，加入到烧杯中，在强力搅拌的条件下使原料粉体与硅溶胶混合1min，获得流动性能优良的浆料；将浆料浇注到铸件蜡模支板的空腔中，约5min后，浆料固化，即得到具有一定强度的固体陶瓷型芯。
通过机匣实际件的浇注试验，表明机匣支板的壁厚均匀，未出现变形，且尺寸精度合格，浇注结束后，型芯自行溃散，易于清除。
Claims (2)
1.一种支板成型用陶瓷型芯，其特征在于包括：不同粒度的电熔刚玉粉、有机纤维、氯化铵、以及硅溶胶；
所述的不同粒度的电熔刚玉粉，其氧化铝含量≥99wt％，粒度分别为20-40目、50-100目和200-325目；其中，粒度为20-40目的电熔刚玉粉的质量百分比为10％-30％，粒度为50-100目的电熔刚玉粉的质量百分比为20％-40％，粒度为200-325目的电熔刚玉粉的质量百分比为30％-70％；
所述的有机纤维为尼龙纤维、聚氨酯纤维、聚酰胺纤维之一，长度0.1-3mm，直径20-200μm，加入量为所述电熔刚玉粉质量的1-20％；
所述的氯化铵，为分析纯，粒度分布在200-325目之间，氯化铵的加入量为电熔刚玉粉的0.08-0.12％；
所述的硅溶胶，pH值为8-10，其中二氧化硅胶体粒子的含量≥28wt％；该硅溶胶的质量为所述电熔刚玉粉、有机纤维和氯化铵的质量总和的60-70％。
2.一种权利要求1所述的支板成型用陶瓷型芯的制作方法，其特征在于包括：
第一步，配制粉体原料：将不同粒度的电熔刚玉粉、有机纤维和氯化铵粉体加入到V型混料机中，进行强制干混，V型混料机的转速为120转/min，混合时间为12-24h，即得到陶瓷型芯原料；
第二步，配制浆料：将所述陶瓷型芯原料加入到硅溶胶中，用强力搅拌机混合50-70s，即得到陶瓷型芯浇注成型用浆料；
第三步，浇注成型：将所述浆料浇注到铸件熔模铸造用蜡模的支板空腔中，经8-12min后浆料固化，获得固体型芯。
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