CN103265296A - 一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法 - Google Patents

一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法 Download PDF

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黄静
孙革
丁山
王石磊
董多
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Abstract

本发明的目的在于提供一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：型芯的粉料配制方案为：选用透明石英玻璃作为基体材料，在基体材料中加入矿化剂和添加剂材料，三者的重量百分比为：石英玻璃60%～70%、矿化剂25%～30%、添加剂3%～10%；采用二次焙烧工艺方法对型芯进行烧结，首次焙烧出炉后将型芯浸入含有二氧化硅胶团粒子的强化剂溶液中进行强化，强化时间大于4小时、自干24小时后再进行第二次焙烧。该方法采用新型的制芯粉料配制方案和制造工艺，使所得陶瓷型芯其热变形量在1550℃保温0.5h的条件下可控制在0.1mm以下，有效地解决了因硅基型芯高温变形量大造成单晶浇注件漏芯、偏芯的问题。

Description

一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法
技术领域
本发明涉及精密铸造定向、单晶叶片用陶瓷型芯的制造技术领域，特别提供一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的粉料配制方案及制造工艺。
背景技术
陶瓷型芯在精密铸造行业的应用日益广泛，特别是铸造定向、单晶空心叶片，其复杂内腔结构主要是依靠陶瓷型芯的技术来保证。目前，国内研制和广泛应用的陶瓷型芯有硅基和铝基两种。铝基型芯的基体材料为三氧化二铝，其高温性能综合指标高，热膨胀系数小，高温浇注后型芯变形量小；耐火度高，铝基型芯可以在1600℃以上的高温条件下使用。但是铝基型芯脱芯困难，需要配备高温、高压设备及与之匹配的脱芯工艺，由于这些条件建设和技术指标短时间内无法解决，所以铝基型芯在国内还没有得到广泛的应用。目前国内广泛应用硅基陶瓷型芯，但是按照常规的制芯生产的陶瓷型芯其高温性能满足不了1550℃以上的使用要求，尤其是高温挠度（热变形量）指标按照HB5353.4—2004方法检测在1550℃保温0.5h时后挠度（热变形量）在1.0mm左右，满足不了精密铸造的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，该方法采用新型的制芯粉料配制方案和制造工艺，使所得陶瓷型芯其热变形量在1550℃保温0.5h的条件下可控制在0.1mm以下，有效地解决了因硅基型芯高温变形量大造成单晶浇注件漏芯、偏芯的问题。
本发明具体提供了一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：
型芯的粉料配制方案为：选用透明石英玻璃作为基体材料，在基体材料中加入矿化剂和添加剂材料，三者的重量百分比为：石英玻璃60%～70%、矿化剂25%～30%、添加剂3%～10%；
制造工艺：采用二次焙烧工艺方法对型芯进行烧结，具体为：
首次焙烧：升温至200℃保温2h～6h，升温至400℃保温2h～6h，升温至600℃保温1h～3h，升温至900℃保温1h～3h，升温至1140～1170℃保温4h～6h，随炉冷却；
出炉后将型芯浸入含有二氧化硅胶团粒子的强化剂溶液中进行强化，强化时间大于4小时、自干24小时后再进行第二次焙烧；
二次焙烧：升温至200℃保温1h～4h，升温至400℃保温1h～4h，升温至600℃保温1h～3h，升温至900℃保温1h～3h，升温至1170～1190℃保温3h～6h，随炉冷却。
本发明所述减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：所述矿化剂材料选用锆英石砂。添加剂选用非晶体无定形二氧化硅（中国专利CN1907344已公开）。强化剂为硅酸乙酯或硅溶胶。
本发明所述减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：二次焙烧最佳工艺参数为：
首次焙烧：升温至200℃保温4h，升温至400℃保温4h，升温至600℃保温1h，升温至900℃保温1h，升温至1160～1170℃保温5h，随炉冷却；
二次焙烧：升温至200℃保温4h，升温至400℃保温4h，升温至600℃保温1h，升温至900℃保温1h，升温至1170～1190℃保温4h，随炉冷却；
升温速度为每小时100℃～200℃。
本发明已应用到定向、单晶片空心叶片的精密铸造生产中。陶瓷型芯在1550℃保温0.5h的条件下，其高温热变形量原来大于0.5mm转变成控制在0.1mm以下，本发明采用合理的制芯和烧结工艺，在保证提高硅基型芯的抗弯强度、孔隙率等指标的同时，有效减小陶瓷型芯的高温变形。该技术可应用于其它定向、单晶叶片的精铸生产中，按有效提高铸件合格率20%计算，每年经济效益收入至少300万元，长远有益效果不可估量。
附图说明
图1为第一次焙烧升温曲线示意图；
图2为第二次焙烧升温曲线示意图。
具体实施方式
陶瓷型芯的材料组成及重量百分比见表1。如无特殊说明，本发明采用的石英玻璃粉其化学成分为重量百分比：SiO2≥99.9%、K2O+Na2O≤0.1%；非晶体无定形二氧化硅其化学成分为重量百分比：SiO2≥99.95%、Na2O≤0.03%；锆英石粉其化学成分以重量百分比：ZrO2≥67%、SiO2≥32%、杂质含量≤1%。
A型烧结工艺
采用二次焙烧方法对型芯进行烧结，首次焙烧和二次焙烧的升温曲线分别见图1、2，升温速度限制在每小时100℃～200℃，首次焙烧出炉后将型芯浸入强化剂溶液（硅酸乙酯或硅溶胶）中进行强化，时间4h、自干24h后再进行第二次焙烧。二次焙烧当温度达到1180℃～1190℃时，保温4h～6h后随炉冷却至300℃以下开炉门。
B型烧结工艺
采用二次焙烧方法对型芯进行烧结，首次焙烧和二次焙烧的升温曲线分别见图1、2，升温速度限制在每小时100℃～200℃，但首次焙烧的终烧温度改为1140℃～1150℃，首次焙烧出炉后将型芯浸入强化剂溶液（硅酸乙酯）中进行强化，时间延长到8h、自干24h后再进行第二次焙烧。二次焙烧当温度达到1180℃～1190℃时，保温4h～5h后随炉冷却至300℃以下开炉门。
C型烧结工艺
采用一次焙烧陶瓷型芯，升温曲线见图2，升温速度限制在每小时100℃～200℃，焙烧当温度达到1180℃～1190℃时，保温4h～5h后随炉冷却至300℃以下开炉门。
将7种粉料配制方案和三种焙烧工艺方案进行制造陶瓷型芯的正交试验，一共21种，具体试验方案见表2，将21种制芯方案各制备120mm×10mm×4mm的试棒，按照航标HB5353.4-2004采用双支点方法进行1550℃保温0.5h后，测试高温变形量的数值，具体结果见表3。
表1型芯的材料组成及重量百分比
Figure BDA00003179712300051
表2正交试验方案
Figure BDA00003179712300052
表3高温变形量测试结果
Figure BDA00003179712300061
由此可见，采用本发明方法—加入非晶体无定形二氧化硅并进二次烧结工艺制备的硅基陶瓷型芯经过1550℃高温后热变形量均小于0.1mm。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：
型芯的粉料配制方案为：选用透明石英玻璃作为基体材料，在基体材料中加入矿化剂和添加剂材料，三者的重量百分比为：石英玻璃60%～70%、矿化剂25%～30%、添加剂3%～10%；
制造工艺：采用二次焙烧工艺方法对型芯进行烧结，具体为：
首次焙烧：升温至200℃保温2h～6h，升温至400℃保温2h～6h，升温至600℃保温1h～3h，升温至900℃保温1h～3h，升温至1140～1170℃保温4h～6h，随炉冷却；
出炉后将型芯浸入含有二氧化硅胶团粒子的强化剂溶液中进行强化，强化时间大于4小时、自干24小时后再进行第二次焙烧；
二次焙烧：升温至200℃保温1h～4h，升温至400℃保温1h～4h，升温至600℃保温1h～3h，升温至900℃保温1h～3h，升温至1170～1190℃保温3h～6h，随炉冷却。
2.按照权利要求1所述减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：所述矿化剂材料选用锆英石砂。
3.按照权利要求1或2任一所述减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：所述添加剂选用非晶体无定形二氧化硅。
4.按照权利要求1或2任一所述减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：所述强化剂为硅酸乙酯或硅溶胶。
5.按照权利要求1所述减小硅基陶瓷型芯热变形量的方法，其特征在于：二次焙烧工艺参数为：
首次焙烧：升温至200℃保温4h，升温至400℃保温4h，升温至600℃保温1h，升温至900℃保温1h，升温至1160～1170℃保温5h，随炉冷却；
二次焙烧：升温至200℃保温4h，升温至400℃保温4h，升温至600℃保温1h，升温至900℃保温1h，升温至1170～1190℃保温4h，随炉冷却；
升温速度为每小时100℃～200℃。
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