CN103880406B - 一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法。本发明涉及一种陶瓷型芯的制备方法。本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成收缩率大、高温性能差的问题，方法：一、配置增塑剂；二、配置陶瓷浆料；三、制备预制料；四、制备改进的氧化硅陶瓷型芯。本发明的改进的氧化硅陶瓷型芯其烧成收缩率为0.041％，远低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.193％，同时其高温挠度为1.51mm，低于已有的陶瓷型芯高温挠度，高温挠度降低了2.66mm。方法操作简单，缩短实验时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷型芯的制备方法。
背景技术
航空发动机是飞机的心脏，是决定飞机性能的主要因素之一，而衡量发动机性能的一个重要指标就是推重比。半个多世纪以来，航空发动机技术取得了巨大的进步，军用发动机推重比平均每年以16％的速度递增。航空发动机的发展源于持续不断的新材料、新技术的突破。为此，世界各国都开展了大推重比航空发动机的研究。
众所周知，提高涡轮前端口温度是提高航空发动机推重比最有效的方法。一般来说，每当涡轮前进口温度增加100℃，发动机的推力可以提高约10％。为了提高发动机涡轮部件适应涡轮前进口温度不断提高的能力，必须增加涡轮空心叶片的承温能力。单纯通过提高合金的承温能力来满足涡轮前进口温度日益提高的要求已不太可能。所以现在国内外普遍应用复杂的叶片冷却系统，即采用具有复杂内腔的空心叶片，由于空心叶片内部的冷却结构异常复杂，靠传统的机加工、电化学方法都己无法达到要求，只有采用熔模精密铸造技术才能解决这一问题。然而熔模精密铸造的普通成型法(金属陶芯和可溶陶芯)无法形成涡轮叶片的复杂、细薄内腔，因为在模组浸涂时，耐火材料无法进入其中，撒沙、干燥等工序无法实现，只有采用陶瓷型芯才能达到这一目标。
所以在空心叶片生产过程中，型芯的制备是关键，它的好坏直接关系到叶片的生产质量。例如：尺寸精度、合格率、生产效率及生产成本等。但目前我国陶瓷型芯的制备还不够完善，在行业内对于一些指标还没有统一的标准，国内能生产高水平、商业化的陶瓷型芯的工厂很少，因此，开展陶瓷型芯的研究工作，总结出具有自主知识产权的陶瓷型芯制备技术是十分迫切的。
发明内容
本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成收缩率大、高温性能差的问题，而提供一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法。
本发明的一种改进的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100：(10～20)；所述的陶瓷浆料按质量份数由60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉、0.5～1.5份分析纯氧化钇和5～15份方石英混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：2；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4)：1；其中所述的方石英为300目的石英；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22)：1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48)：1。
本发明的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22)：1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48)：1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉、0.5～1.5份分析纯氧化钇和5～15份方石英搅拌均匀后放在保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：2；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4)：1；所述的方石英为300目的石英；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为60g/min～120g/min，在搅拌速度为50r/min～70r/min下搅拌7h～9h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100：(10～20)；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
本发明的有益效果：
本发明产品的优点是通过新的成分配比，即同时添加氧化钇和方石英，可以降低陶瓷型芯的烧成收缩率并且提高型芯的高温性能。近些年来陶瓷型芯向着形状更复杂，尺寸更大，性能更高的方向发展，这主要由于航空航天事业对叶片的要求越来越高。由于陶瓷型芯的性能是决定叶片成品率和成品质量的关键因素，因此其自身的性能，如烧成收缩率、高温性能对生产出叶片的精度和质量及其重要。通过实验测试，本发明的改进的氧化硅陶瓷型芯其烧成收缩率为0.041％，远低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.193％，同时其高温挠度为1.51mm，低于原来成分配比的陶瓷型芯高温挠度，高温挠度降低了2.66mm。
本发明方法的优点是制备过程及操作简单，浆料有很好的流动性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，缩短实验时间。
附图说明
图1为试验一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯断口10000倍SEM图像；
图2为试验一中试验一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯和现有陶瓷型芯高温挠度测试后对比照片；其中a为试验一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯，b为现有陶瓷型芯；
图3为试验二中用试验一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯生产燃气轮机叶片过程中所用试验一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯照片以及生产出的叶片照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种改进的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100：(10～20)；所述的陶瓷浆料按质量份数由60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉、0.5～1.5份分析纯氧化钇和5～15份方石英混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：2；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4)：1；其中所述的方石英为300目的石英；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22)：1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48)：1。
本实施方式产品的优点是通过新的成分配比，即同时添加氧化钇和方石英，可以降低陶瓷型芯的烧成收缩率并且提高型芯的高温性能。近些年来陶瓷型芯向着形状更复杂，尺寸更大，性能更高的方向发展，这主要由于航空航天事业对叶片的要求越来越高。由于陶瓷型芯的性能是决定叶片成品率和成品质量的关键因素，因此其自身的性能，如烧成收缩率、高温性能对生产出叶片的精度和质量及其重要。通过实验测试，本实施方式的改进的氧化硅陶瓷型芯其烧成收缩率为0.041％，远低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.193％，同时其高温挠度为1.51mm，低于原来成分配比的陶瓷型芯高温挠度，高温挠度降低了2.66mm。
具体实施方式二：本实施方式的与具体实施方式一不同的是：所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100：15。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的陶瓷浆料按质量份数由64份石英玻璃粉、25份锆英粉、1份分析纯氧化钇和10份方石英混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5：2；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3：1。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.5：1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5：1。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22)：1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48)：1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉、0.5～1.5份分析纯氧化钇和5～15份方石英搅拌均匀后放在保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：2；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4)：1；所述的方石英为300目的石英；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为60g/min～120g/min，在搅拌速度为50r/min～70r/min下搅拌7h～9h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100：(10～20)；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
本实施方式方法的优点是制备过程及操作简单，浆料有很好的流动性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，缩短实验时间。得到的改进的氧化硅陶瓷型芯其烧成收缩率为0.041％，远低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.193％，同时其高温挠度为1.51mm，低于原来成分配比的陶瓷型芯高温挠度，高温挠度降低了2.66mm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.5：1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5：1。其它步骤与参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤二中按质量份数将64份石英玻璃粉、25份锆英粉、1份分析纯氧化钇和10份方石英搅拌均匀后放在保温箱中在温度为90℃的条件下保温3h，得到陶瓷浆料。其它步骤与参数与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤二中其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5：2；其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3：1。其它步骤与参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤三中加入速度为90g/min，在搅拌速度为60r/min下搅拌8h，得到预制料。其它步骤与参数与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：步骤三中所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100：15。其它步骤与参数与具体实施方式五至九之一相同。
用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一、本试验的一种改进的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法按以下步骤进行：
本试验的一种改进的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100：(10～20)；所述的陶瓷浆料按质量份数由60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉、0.5～1.5份分析纯氧化钇和5～15份方石英混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4～6)：2；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4)：1；其中所述的方石英为300目的石英；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22)：1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48)：1。
制备上述氧化硅陶瓷型芯的方法按以下步骤进行
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.5：1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5：1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将64份石英玻璃粉、25份锆英粉、1份分析纯氧化钇和10份方石英搅拌均匀后放在保温箱中在温度为90℃的条件下保温3h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5：2；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3：1；所述的方石英为300目的石英；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为90g/min，在搅拌速度为60r/min下搅拌8h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100：15；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为90℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
采用Helios Nanolab600i扫描电镜对本试验得到的改进的氧化硅陶瓷型芯断口进行扫描，得到10000倍下的SEM图像，如图1所示。从图1可以看出陶瓷型芯断口处大颗粒堆积紧密，同时又弥散着一些白色的微小颗粒这种断口形态对提高陶瓷型芯的收缩和高温性能有很大的帮助。
将本试验得到的改进的氧化硅陶瓷型芯与现有陶瓷型芯进行高温挠度测试，得到如图2所示的对比照片，为高温挠度测试后改进的陶瓷型芯与原有陶瓷型芯的对比图从图2中可以看出，本试验得到的改进的氧化硅陶瓷型芯的高温挠度明显低于现有陶瓷型芯。
试验二：试验一得到的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的应用实例：
将试验一得到的一种改进的氧化硅陶瓷型芯应用于成形具有复杂内腔的燃气轮机叶片。
由于汽轮机叶片通常情况下较薄，所以生产复杂型腔的燃气轮机叶片采用熔模精密铸造。
具体过程为熔模制造，制造型壳，合金浇注和铸件清理。
模料为低温模料，即50：50的石蜡-硬脂酸模料，模壳预热温度为850℃，所采用的合金牌号为K438，浇注温度为1410℃。，浇注完成后在高压脱芯釜中进行脱芯。
图3为得到的燃气轮机叶片图以及生产过程中所使用的陶瓷型芯。图中左侧为燃气轮机叶片，右侧为生产过程中所使用的陶瓷型芯。
从图3中可以看出陶瓷型芯表面光滑，并且在生产叶片过程中综合性能良好，强度达到生产叶片的需求，同时脱芯性能优异，有利于提高叶片的生产效率。由其生产出的燃气轮机叶片尺寸精度高，型腔完好。
Claims (1)
1.一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.5：1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5：1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将64份石英玻璃粉、25份锆英粉、1份分析纯氧化钇和10份方石英搅拌均匀后放在保温箱中在温度为90℃的条件下保温3h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5：3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5：2；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3：1；所述的方石英为300目的石英；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为90g/min，在搅拌速度为60r/min下搅拌8h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100：15；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为90℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
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