CN107140961A - 一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯及其制备方法，所述陶瓷型芯按照重量百分比的化学组成为：SiO2粉末48~62%，ZrO2粉末30~33%，硅酸铝陶瓷纤维3~5%，粘结剂8~17%。制备方法包括：（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，加热搅拌，形成料浆；（2）将陶瓷型芯模具预热，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，将窑具高温焙烧；（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体放入强化液中浸泡并烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。

Description

一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷型芯及其制备方法，具体涉及一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯及其制备方法。
背景技术
目前空心合金铸件的复杂内腔主要通过使用预制的陶瓷型芯来辅助成型，并在铸件铸成后，采用化学或物理方法脱除。随着我国航空航天等领域的发展，在相关设备及部件的制造过程中需要使部件具备空心结构而达到高效冷却的效果，尤其是作为飞机动力源的航空发动机，定向柱晶叶片和单晶叶片的耐高温性能主要借助其形成叶片的内腔，达到气冷效果。陶瓷型芯的尺寸精度和型面结构直接决定铸件内腔的精度，但由于成型方法及烧结过程等生产过程中，其强度和变型量的难以准确控制，如何减少其烧成收缩又保持其强度仍是目前攻关的主要方向。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯及其制备方法。本发明的技术方案为：
一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，按照重量百分比的化学组成为：SiO2粉末48~62%， ZrO2粉末30~33%，硅酸铝陶瓷纤维3~5%，粘结剂8~17%。
进一步地，所述SiO2粉末中，粒度为220目的SiO2粉末占54.5~67.3%，粒度为300目的SiO2粉末占32.7~45.5%。
进一步地，所述ZrO2粉末的粒度为300目。
进一步地，所述硅酸铝陶瓷纤维为高纯型硅酸铝陶瓷纤维、高铝型硅酸铝陶瓷纤维、含锆型硅酸铝陶瓷纤维、含铬型硅酸铝陶瓷纤维中的一种或多种混合。
进一步地，所述粘结剂为石蜡、蜂蜡、微晶蜡、聚乙烯、聚乙烯醇及EVA中的一种或多种混合。
所述陶瓷型芯的制备方法，包括：
（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，加热搅拌，形成料浆；
（2）将陶瓷型芯模具预热，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；
（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，将窑具高温焙烧；
（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体放入强化液中浸泡并烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。
上述方法中，所述步骤（1）的加热温度为110~150℃，搅拌时间为3~5h。
上述方法中，所述步骤（2）的陶瓷型芯模具预热温度为40～50℃，压注条件为：合膜压力5~6MPa，注浆压力1~3Mpa，注浆时间20~30s，保压时间15~30s。
上述方法中，所述步骤（3）的高温焙烧条件为：先于200~250℃焙烧2～5h，然后于400~450℃焙烧3～6h，再于850~900℃保温3～5h，最后于1190～1250℃焙烧7～8h。
本发明的特点及有益效果：本发明在陶瓷型芯中引入硅酸铝陶瓷纤维，用以增强陶瓷型芯，既避免了型胎的矫正环节，又降低制备过程的耗时，并且陶瓷型芯烧成收缩以及烧成微裂纹明显减少。此外，本发明的陶瓷型芯抗冲击能力强，还具有优异的抗弯强度，在室温及高温均具有较高强度，易脱芯。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，按照重量百分比的化学组成为：粒度为220目的SiO2粉末30%，粒度为300目的SiO2粉末21%，粒度为300目的ZrO2粉末33%，硅酸铝陶瓷纤维3%，粘结剂13%。其中硅酸铝陶瓷纤维为高纯型硅酸铝陶瓷纤维、高铝型硅酸铝陶瓷纤维、含锆型硅酸铝陶瓷纤维按照2:0.5:0.5的质量配比混合，粘结剂为石蜡、蜂蜡、聚乙烯混合。
所述陶瓷型芯的制备方法，包括：
（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，于120℃加热搅拌3h，形成料浆；
（2）将陶瓷型芯模具预热至40℃，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，压注条件为：控制合膜压力6MPa，注浆压力3Mpa，注浆时间20s，保压时间18s；根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；
（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，保持填料平实，将窑具放入高温炉中焙烧，先于250℃焙烧2h，然后于400℃焙烧5h，再于850℃保温3h，最后于1200℃焙烧7h；
（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体从窑具中取出，清理表面浮沙，放入硅溶胶强化液中浸泡2h，50℃烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。
未经硅酸铝陶瓷纤维强化的陶瓷型芯室温强度为10.5MPa，在1475℃的高温下强度为8.3MPa，气孔率为29.44%。本实施例的经硅酸铝陶瓷纤维强化后的陶瓷型芯室温强度为20MPa，在1475℃的高温下强度为11.4MPa，气孔率极小。
实施例2
一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，按照重量百分比的化学组成为：粒度为220目的SiO2粉末33%，粒度为300目的SiO2粉末18%，粒度为300目的ZrO2粉末30%，硅酸铝陶瓷纤维4%，粘结剂15%。其中硅酸铝陶瓷纤维为高铝型硅酸铝陶瓷纤维、含锆型硅酸铝陶瓷纤维、含铬型硅酸铝陶瓷纤维按照1.5:1:1.5的质量配比混合，粘结剂为石蜡、蜂蜡、微晶蜡、聚乙烯醇混合。
所述陶瓷型芯的制备方法，包括：
（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，于130℃加热搅拌4h，形成料浆；
（2）将陶瓷型芯模具预热至50℃，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，压注条件为：控制合膜压力6MPa，注浆压力2Mpa，注浆时间25s，保压时间20s；根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；
（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，保持填料平实，将窑具放入高温炉中焙烧，先于200℃焙烧4h，然后于400℃焙烧6h，再于850℃保温5h，最后于1190℃焙烧8h；
（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体从窑具中取出，清理表面浮沙，放入硅溶胶强化液中浸泡3h，40℃烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。
未经硅酸铝陶瓷纤维强化的陶瓷型芯室温强度为10.5MPa，在1475℃的高温下强度为8.3MPa，气孔率为29.44%。本实施例的经硅酸铝陶瓷纤维强化后的陶瓷型芯室温强度为20MPa，在1475℃的高温下强度为11.4MPa，气孔率极小。
实施例3
一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，按照重量百分比的化学组成为：粒度为220目的SiO2粉末30%，粒度为300目的SiO2粉末24%，粒度为300目的ZrO2粉末30%，硅酸铝陶瓷纤维3%，粘结剂13%。其中硅酸铝陶瓷纤维为高纯型硅酸铝陶瓷纤维、含锆型硅酸铝陶瓷纤维按照2:1的质量配比混合，粘结剂为石蜡、蜂蜡、微晶蜡、EVA混合。
所述陶瓷型芯的制备方法，包括：
（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，于110℃加热搅拌5h，形成料浆；
（2）将陶瓷型芯模具预热至45℃，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，压注条件为：控制合膜压力5MPa，注浆压力3Mpa，注浆时间30s，保压时间18s；根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；
（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，保持填料平实，将窑具放入高温炉中焙烧，先于250℃焙烧3.5h，然后于450℃焙烧5.5h，再于900℃保温3h，最后于1220℃焙烧8h；
（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体从窑具中取出，清理表面浮沙，放入硅溶胶强化液中浸泡4h，30℃烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。
未经硅酸铝陶瓷纤维强化的陶瓷型芯室温强度为10.5MPa，在1475℃的高温下强度为8.3MPa，气孔率为29.44%。本实施例的经硅酸铝陶瓷纤维强化后的陶瓷型芯室温强度为20MPa，在1475℃的高温下强度为11.4MPa，气孔率极小。
实施例4
一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，按照重量百分比的化学组成为：粒度为220目的SiO2粉末34%，粒度为300目的SiO2粉末19%，粒度为300目的ZrO2粉末31%，硅酸铝陶瓷纤维5%，粘结剂11%。其中硅酸铝陶瓷纤维为高铝型硅酸铝陶瓷纤维、含锆型硅酸铝陶瓷纤维按照1:1的质量配比混合，粘结剂为石蜡、蜂蜡混合。
所述陶瓷型芯的制备方法，包括：
（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，于150℃加热搅拌4h，形成料浆；
（2）将陶瓷型芯模具预热至50℃，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，压注条件为：控制合膜压力6MPa，注浆压力1Mpa，注浆时间20s，保压时间25s；根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；
（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，保持填料平实，将窑具放入高温炉中焙烧，先于200℃焙烧5h，然后于450℃焙烧4h，再于850℃保温4h，最后于1220℃焙烧7.5h；
（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体从窑具中取出，清理表面浮沙，放入硅溶胶强化液中浸泡1h，50℃烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。
未经硅酸铝陶瓷纤维强化的陶瓷型芯室温强度为10.5MPa，在1475℃的高温下强度为8.3MPa，气孔率为29.44%。本实施例的经硅酸铝陶瓷纤维强化后的陶瓷型芯室温强度为20MPa，在1475℃的高温下强度为11.4MPa，气孔率极小。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明宗旨和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，其特征在于按照重量百分比的化学组成为：SiO2粉末48~62%， ZrO2粉末30~33%，硅酸铝陶瓷纤维3~5%，粘结剂8~17%。
2.根据权利要求1所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，其特征在于所述SiO2粉末中，粒度为220目的SiO2粉末占54.5~67.3%，粒度为300目的SiO2粉末占32.7~45.5%。
3.根据权利要求1所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，其特征在于所述ZrO2粉末的粒度为300目。
4.根据权利要求1所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，其特征在于所述硅酸铝陶瓷纤维为高纯型硅酸铝陶瓷纤维、高铝型硅酸铝陶瓷纤维、含锆型硅酸铝陶瓷纤维、含铬型硅酸铝陶瓷纤维中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯，其特征在于所述粘结剂为石蜡、蜂蜡、微晶蜡、聚乙烯、聚乙烯醇及EVA中的一种或多种混合。
6.权利要求1所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯的制备方法，其特征在于包括：
（1）按照上述质量百分配比，将SiO2粉末、ZrO2粉末、硅酸铝陶瓷纤维和粘接剂混匀，加热搅拌，形成料浆；
（2）将陶瓷型芯模具预热，将料浆倒入陶瓷型芯模具中进行压注，根据模具形成不同形状的陶瓷型芯胚体；
（3）将陶瓷型芯胚体放入窑具中并填满Al2O3填料，将窑具高温焙烧；
（4）将焙烧完成的陶瓷型芯胚体放入强化液中浸泡并烘干，得到所述硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯。
7.根据权利要求6所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述步骤（1）的加热温度为110~150℃，搅拌时间为3~5h。
8.根据权利要求6所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述步骤（2）的陶瓷型芯模具预热温度为40～50℃，压注条件为：合膜压力5~6MPa，注浆压力1~3Mpa，注浆时间20~30s，保压时间15~30s。
9.根据权利要求6所述的一种硅酸铝陶瓷纤维增强的陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述步骤（3）的高温焙烧条件为：先于200~250℃焙烧2～5h，然后于400~450℃焙烧3～6h，再于850~900℃保温3～5h，最后于1190～1250℃焙烧7～8h。
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