CN102950251A - 一种抗界面反应的复合陶瓷型壳 - Google Patents

Abstract

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳，该型壳包括由氧化钇粉为耐火粉料，氧化钇砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的面层和由电熔莫来石粉为耐火粉料，电熔刚玉砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的加固层，加固层固定在面层的上端面上，且为一整体结构；型壳总厚度为5-13mm，其中面层厚度为0.15-1.4mm。用本方法制成的型壳焙烧后型壳的型腔表面光洁、无裂纹，表面无浮砂、浮粉，完全清晰地复制了叶片蜡模的形状。

Description

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳

技术领域

本发明涉及一种抗型壳界面反应复合陶瓷型壳。具体地讲是一种增加陶瓷型壳面层惰性，消除型壳与高温合金的界面物理化学反应，保证铸件优良的表面质量和尺寸精度的抗界面反应的复合陶瓷型壳。

背景技术

随着航空、航天、船舶和地面燃气轮机发电工业的发展，这些领域所使用的动力装置燃气轮机也随着不断发展和改进，以提高其推力或效率，这就对航空发动机和重型燃气轮机的核心热端部件──定向或单晶叶片等提出了更高的要求。为了保证尺寸精度，减少铸件后处理工序，节省成本，这些部件大都采用精密铸造成型，叶片铸造成型后不进行机械加工直接安装在涡轮盘上，这就对镍基高温合金叶片定向凝固无余量熔模精密铸造技术提出了严峻的挑战。

熔模精密铸造定向凝固过程中，型壳是在高温状态下浇注金属液，型壳作为一个“容器”充满了熔融金属，合金保持液态的时间长达几十分钟到几小时，在这种高温条件下，型壳面层和液态合金的接触界面极易发生化学反应。陶瓷型壳所用的粘结剂硅溶胶中的无定形SiO₂是和高温合金中合金元素发生化学反应的主要物质，例如高温合金中的C、Mg、Y、Ti、Al、Hf等元素易与型壳发生剧烈的反应，在叶片上形成粘砂缺陷。

SiO ₂ +C（Mg、Y、Ti、Hf）→SiO↑+（MgO、Y ₂ O ₃ 、TiO ₂ 、HfO）+CO↑（1）

这主要是因为传统的定向凝固型壳制造技术采用铝矾土粉或刚玉粉制造陶瓷浆料，按精密铸造工艺制备型壳，型壳中含有大量的SiO₂，导致铸型反应严重。用这种传统的定向凝固型壳制造技术涂制的定向凝固陶瓷型壳叶片表面质量差、粘砂严重。造成铸件表面和铸件内部化学成分偏差大，降低铸件的力学性能，增大铸件表面粗糙度，提高后处理成本。

为此，这一领域的技术人员为减少铸型反应，提高铸件表面质量进行了大量的研究工作。美国专利（专利号：US 3972367，US 4247333）介绍了一种采用化学反应法除掉型壳面层中的SiO₂的方法，型壳焙烧过程中向炉内引入还原性气体CO（1700℃±50℃保温1小时）和H₂（1700℃焙烧4小时）等，还原型壳中的氧化硅，使其成为SiO气体逸出型壳，在型壳内表面形成10～30um厚的氧化铝阻挡层。但是这种方法要求烧结设备能在还原性气氛中工作，设备造价昂贵。美国专利（专利号：US 3933190）介绍了一种采用聚氧氯化铝作粘结剂制造全刚玉型壳，用于制造定向柱状晶镍基或钴基合金，型壳由高纯氧化铝做成，并含有痕量的氧化硅，与合金接触12h不发生反应。但是型壳的湿强度和高温强度很差，导致脱蜡过程中型壳出现裂纹，破坏表面光洁度，而且粘结剂聚氧氯化铝在水蒸汽中溶解，因此不允许使用蒸汽脱蜡。美国专利（专利号：US 4196769，US 4216815）介绍了一种采用铝溶胶制作定向凝固型壳，粘结剂为胶体氧化铝的水溶液，氧化铝含量10%，并且不含氧化硅，耐火粉料为片状氧化铝，撒砂骨料也为片状氧化铝。此方法制备的全刚玉型壳，脱蜡过程中没有裂纹，在高温1500～1700℃具有较高的高温强度，铸造过程中没有铸型反应，适用于铸造合金中含有活性元素锆、铝、钽等的镍基和钴基合金。但是这种型壳湿强度只有常规型壳的50%，粘结剂遇水蒸汽膨胀，不能用蒸汽脱蜡，浆料寿命短，必须严格控制浆料的PH值，工艺控制难度大，经常出现胶凝。

发明内容

本发明的目的，是提供一种抗界面反应的复合陶瓷型壳。该复合陶瓷型壳惰性强，化学稳定性好，不与高温合金熔体发生化学反应，消除了型壳内表面与高温合金熔体的表面冶金反应，可以保证铸件优良的表面质量和尺寸精度的抗界面反应的复合陶瓷型壳。

本发明的另一目的，是提供一种制备抗界面反应的复合陶瓷型壳的制作方法。

采用的技术方案是：

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳，其特征在于：

该型壳包括由氧化钇粉为耐火粉料，氧化钇砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的面层和由电熔莫来石粉为耐火粉料，电熔刚玉砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的加固层，加固层固定在面层的上端面上，且为一整体结构；型壳总厚度为5-13mm，其中面层厚度为0.15-1.4 mm；

上述加固层的外端面上涂设有电熔莫来石层，为封浆层；

上述氧化钇粉粒度≤320目，电熔莫来石粉粒度≤320目，氧化钇砂粒度为80-120目，电熔刚玉砂粒度为24-46目，硅溶胶浓度为25-35%。

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳的制作方法，其特征在于包括下述工艺步骤：

1、制备蜡模：按设计形状和尺寸制成蜡模；

2、制备面层：

（1）制备面层浆料：

取粒度≤320目的氧化钇粉、浓度为25-35%的硅溶胶、表面活性剂JFC或EA和消泡剂正辛醇或机硅树脂备用；

按3.0-4.8：1的重量比取氧化钇粉和硅溶胶，并混均，再加入以重量比计0.05-1.0%的表面活性剂JFC或EA，0.05-1.0%的消泡剂正辛醇或机硅树脂，充分混合均匀，即为面层浆料；

取设定剂量的面层浆料均匀涂在蜡模表面，撒80-120目氧化钇砂，干燥后即为面层。

3、在面层上端面上以涂覆办法制成加固层，加固层由2-7个分加固层构成。

（1）配制加固层浆料：

取粒度≤320目的电熔莫来石粉和硅溶胶，按1.8-2.8：1的重量配比混合均匀，再加入以重量百分比计0.05-1.0%的表面活性剂JFC或EA，0.05-1.0%的消泡剂正辛醇或机硅树脂，混均匀，制备出加固层浆料；

（2）将加固层浆料涂在外面层上，均匀撒上粒度为24-46目电熔刚玉砂，风干4-8小时制成第一分加固层，以此类推制出2-7层分加固层；

在配制上述加固层浆料时，可加入适量矿化剂；

4、将制备好的型壳放到高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，压力为0.4～0.6Mpa，温度150～170℃，脱蜡时间为8～16分钟；

型壳脱蜡后置于大气中干燥8～12个小时，使型壳中的水分蒸发掉，再进行焙烧；型壳可在大气环境中焙烧，最好放在还原性气氛中焙烧，以利于化学反应提高型壳性能和质量，烧结温度为950～1550℃，在焙烧过程中的型壳发生一系列的物理化学反应，在型壳内腔表面形成一种惰性阻挡层，阻止液态金属和型壳中的自由SiO₂接触，高温区的最主要的反应为，粘结剂中的SiO₂和过量的Y₂O₃反应生成Y₂SiO₅  ；

        Y ₂ O ₃  + SiO ₂ →Y ₂ SiO ₅                        

硅酸钇熔点2070℃，在高温时都具有很高的化学稳定性，不与高温合金中的活性元素C、Hf、Al、Ti等发生化学反应，不会造成铸件表面的化学粘砂。

本发明的优点在于：

用本方法制成的型壳焙烧后型壳的型腔表面光洁、无裂纹，表面无浮砂、浮粉，完全清晰地复制了叶片蜡模的形状。定向凝固过程中，型壳上区保温温度1500℃，下区保温温度1550℃，真空度6.1×10^-2Pa，锡液温度240～290℃，拉拔速度6mm/min,抽拉时间35分钟，所用镍基高温合金为DZ22合金和DZ125合金，浇注温度1550℃。

实际浇注结果表明面层为氧化钇的陶瓷型壳制备的叶片表面光洁，无粘砂现象，表面质量比面层为电熔刚玉型壳明显提高。由此可见，氧化钇面层陶瓷型壳具有比刚玉面层陶瓷型壳更优良的化学稳定性，用这种型壳制造的叶片表面光洁度较好，完全能满足叶身不打磨清理、不加工直接使用的要求。是制备定向柱晶叶片和单晶叶片的理想型壳。

另外，用本方法制成的面层浆料和加固层浆料性能稳定，涂挂性能优良，化学惰性好，型壳强度高，浇铸过程未出现变形、跑火现象。这种抗界面反应的复合陶瓷型壳可以制造航空发动机和重型燃气轮机部件，例如涡轮叶片、导向叶片、喷嘴、涡轮盘等。

附图说明

图1是型壳焙烧工艺曲线。

图2是面层和次面层为氧化钇的电熔刚玉复合陶瓷型壳层次示意图。

具体实施方式

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳，包括面层，加固层。

面层由内面层1和外面层2构成，内面层以粒度≤320目的氧化钇粉为耐火粉料，以100目氧化钇砂为耐火骨料制成，内面层厚度0.10-0.55mm。    

外面层氧化钇粉粒度≤320目，氧化钇砂粒度为80目，外面层厚度为0.35-0.85mm。

加固层由五个分加固层和一个封浆层构成。

第一分加固层3电熔莫来石粒度≤320目，电熔刚玉砂粒度为46目，厚度为0.75-1.20mm。

第二分加固层4电熔莫来石粒度≤320目，电熔刚玉砂粒度为36目，厚度为1.00-2.10mm。

第三分加固层电熔莫来石粒度≤320目，电熔刚玉砂粒度为24目，厚度为1.20-2.50mm。

第四分加固层电熔莫来石粒度≤320目，电熔刚玉砂粒度为24目，厚度为1.20-2.50mm。

第五分加固层电熔莫来石粒度≤320目，电熔刚玉砂粒度24目，厚度为1.20-2.50mm。

封浆层电熔莫来石粒度≤320目，不撒电熔刚玉砂。

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳的制作方法，其特征在于包括下述工艺步骤：

1、制备型模，即按设定形状和尺寸制出蜡模5。

2、在蜡模上以涂覆办法制成面层，面层由内面层和外面层构成；

（1）制备面层浆料：取粒度≤320目的氧化钇粉、硅溶胶、表面活性剂和消泡剂备用；

（2）以重量百分比计氧化钇粉：硅溶胶=3.8-4.8：1的比例取氧化钇粉和硅溶胶，氧化钇粉粒度≤320目，使氧化钇粉与硅溶胶混合均匀，再加入以重量百分比计0.05-1.0%的表面活性剂JFC或EA，0.05-1.0%的消泡剂正辛醇或机硅树脂，混合均匀即为面层浆料，

（3）取适量面层浆料涂在蜡模上，再均匀撒上氧化钇砂，氧化钇砂粒度为100目，厚度为0.10-0.55mm，在湿度为40-70%，温度为20-24℃下自然干燥6-12小时，即得内面层1。

（4）在内面层上涂覆面层浆料，再均匀撒上氧化钇砂，氧化钇砂粒度为80目，厚度为0.35-0.85mm，风干4-8小时外面层2。

3、制备加固层

（1）、配制加固层浆料。

以重量比计按电熔莫来石粉：硅溶胶=1.8-2.8：1的比例取电熔莫来石粉和硅溶胶，电熔莫来石粉粒度≤320目，并使电熔莫来石粉和硅溶胶混合均匀，即为加固层浆料。

取适量加固层浆料涂在外面层的表面上，再均匀撒上粒度为46目的电熔刚玉砂，制成第一分加固层3，第一分加固层厚度为0.75-1.20mm，风干4-8小时后再取适量加固层浆液，涂在第一分加固层表面上，均匀撒上粒度为36目的电熔刚玉砂，厚1.00-2.10mm，风干4-8小时后为第二分加固层4，以此种方法分别制成第三分加固层、第四分加固层和第五分加固层。第三分加固层、第四分加固层和第五分加固层用的电熔刚玉砂粒度为24目，每层厚度为1.20-2.50mm，风干4-8小时，最后用加固层浆料在第五分加固层表面涂一层封浆层，即构成加固层。

型壳总厚度为5～13mm。把脱蜡后的型壳置于大气中干燥8～12个小时，使型壳中的水分蒸发掉，再进行焙烧。焙烧的目的是除掉残余蜡、水分以及其他一些型壳挥发物，通过氧化硅胶凝烧结建立型壳强度，焙烧过程中可使粘结剂、耐火材料等物质之间进行热物理化学反应，改变型壳物相组成和显微组织，改善型壳的高温力学性能。硅溶胶中的水分在200～300℃以上即除去大部分， 500～600℃左右残余蜡等挥发掉，800℃以上基本除尽，考虑到有机物的燃烧和挥发，升温速度要慢，终烧温度950～1550℃，保温2小时。

Claims (2)

1.一种抗界面反应的复合陶瓷型壳，其特征在于：

该型壳包括由氧化钇粉为耐火粉料，氧化钇砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的面层和由电熔莫来石粉为耐火粉料，电熔刚玉砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的加固层，加固层固定在面层的上端面上，且为一整体结构；型壳总厚度为5-13mm，其中面层厚度为0.15-1.4 mm；

上述加固层的外端面上涂设有电熔莫来石层，为封浆层；

上述氧化钇粉粒度≤320目，电熔莫来石粉粒度≤320目，氧化钇砂粒度为80-120目，电熔刚玉砂粒度为24-46目，硅溶胶浓度为25-35%。

2.一种抗界面反应的复合陶瓷型壳的制作方法，其特征在于包括下述工艺步骤：

（1）、制备蜡模：按设计形状和尺寸制成蜡模；

（2）、制备面层：

①制备面层浆料：

取粒度≤320目的氧化钇粉、浓度为25-35%的硅溶胶、表面活性剂JFC或EA和消泡剂正辛醇或机硅树脂备用；

按3.0-4.8：1的重量比取氧化钇粉和硅溶胶，并混均，再加入以重量比计0.05-1.0%的表面活性剂JFC或EA，0.05-1.0%的消泡剂正辛醇或机硅树脂，充分混合均匀，即为面层浆料；

②取设定剂量的面层浆料均匀涂在蜡模表面，撒80-120目氧化钇砂，干燥后即为面层；

（3）、在面层上端面上以涂覆办法制成加固层，加固层的2-7个分加固层构成；

①配制加固层浆料：

取粒度为≤320目的电熔莫来石粉和硅溶胶，按1.8-2.8：1的重量配比混合均匀，再加入以重量百分比计0.05-1.0%的表面活性剂JFC或EA，0.05-1.0%的消泡剂正辛醇或机硅树脂，混均匀，制备出加固层浆料；

②将加固层浆料涂在外面层上，均匀撒上粒度为24-46目电熔刚玉砂，风干4-8小时制成第一分加固层，以此类推制出2-7层分加固层；

（4）、将制备好的型壳放到高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，压力为0.4～0.6Mpa，温度150～170℃，脱蜡时间为8～16分钟；

型壳脱蜡后置于大气中干燥8～12个小时，再在大气环境中或在还原性气氛中焙烧，烧结温度为950～1550℃，保温2小时，即得。

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