CN107417264A - 一种氧化硅陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种氧化硅陶瓷型芯及其制备方法，本发明涉及一种陶瓷型芯及其制备方法，它为解决现有陶瓷型芯烧成抗弯强度低、高温性能差的问题。该氧化硅陶瓷型芯由质量比为100：(18～22)的陶瓷浆料和增塑剂混合烧结制备而成。制备方法：一、将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；二、将石英粉玻璃、锆英粉、纳米氧化硅和氧化锆搅拌均匀，得到陶瓷浆料；三、陶瓷浆料加入到增塑剂中，得到预制料；四、压制后烧结，得到氧化硅陶瓷型芯。本发明的氧化硅陶瓷型芯的抗弯强度为17.33MPa，其高温挠度为0.291mm，显示出良好的高温性能，且操作简单，大大缩短实验时间。

Description

一种氧化硅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。
背景技术
如今世界上战斗机的研发速度正变得越来越快，以美国为首的西方发达国家的四代、四代半战机已经陆续亮相，其中诸如F119、F135和F136这类先进的航空发动机颇为引人关注。世界航空科技正以一种飞快的速度迈向新的高度，所以我国也通过加快四代机的研发速度来适应当今的战机性能要求。目前，航空发动机被誉为“战机心脏”，各国都将其视为核心机密来加以保密。因为发动机会直接影响飞机的使用性能、可靠性和经济性，所以它可以作为一个国家国防和科研竞争力的重要参考。经过各国长达半个多世纪的不懈努力，航空发动机的各项技术都已经有了飞速的发展。世界各国，尤其以美国为首的西方发达国家，一方面它们着重于将发动机做的越来越轻，油耗越来越低，另一方面，如何能提高发动机的推重比也渐渐被提上了日程，目前，军用航空发动机的推重比从原来的2～3，发展到现在的15～20，提升了很多，而且推重比还正在以每年大约16％的速度在递增。其中战机的发动机涡轮叶片的温度载荷可能发生剧烈的变动，它的工作环境也会很恶劣，所以它对于材料性能的要求是很苛刻的。
一般说来，想要提升航空发动机的推重比，可以提高涡轮的前端口温度。经过研究发现，如果把它的温度增长100℃的话，那么发动机就可以升高大概10个百分点的推力，不过涡轮前进口在运行过程中是会不断升温的，所以为了使发动机的涡轮部件能够很好的适应涡轮前进口的温度，就必须增加涡轮空心叶片的承温能力。因此，首先，需要去提高涡轮的燃气温度，因为改变它，实际上是提高动力装置的有效功率，一般而言，想要提高涡轮前温度，大都会采用铸造的方法，来把高温合金铸造成形状复杂的空心叶片，不过，因为金属的熔点是有上限的，所以想要通过改变合金的材料以达到提高叶片的承温能力已经不太可能了，仅仅是依靠试用不同的材料，依靠材料的热强性来改变发动机热端部件的承温能力已经不可能满足要求了。故而，为了能实现涡轮叶片承温能力可以不断提高以达到要求，要么就不断改良叶片的气冷结构，要么就运用一些其他手段去增加空心叶片的冷却效率。
想要去提高发动机涡轮的前温度，最主要的就是空心气冷叶片。一般而言，若想做出好的空心叶片，第一步得先做出能形成叶片复杂内腔的陶瓷型芯。以前，叶片的冷却结构一般是传统的对流、回流、撞击孔、气膜冷却等方式，不过，现在已经逐渐发展成高效发散气冷的方式，这种改变使空心叶片的冷却温度从300℃左右提高到了600℃以上，提升很明显。故而，为了制造出极为复杂的涡轮叶片，就必须制造出形状上更为复杂、尺寸更小、性能更高的陶瓷型芯。
发明内容
本发明的目的是为解决现有陶瓷型芯烧成抗弯强度低、高温性能差的问题，而提供一种改进的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法。
本发明氧化硅陶瓷型芯由质量比为100：(18～22)的陶瓷浆料和增塑剂混合烧结制备而成；所述的陶瓷浆料按质量份数由70～80份石英粉玻璃、20～30份锆英粉、0.5～1份纳米氧化硅和0.5～1份氧化锆混合而成，其中所述的石英玻璃粉由200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由180目和250目的锆英粉混合而成；所述的增塑剂按质量比为(92～94)：(4～5)：(2～3)由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成。
本发明氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤实现：
一、配置增塑剂：按质量比为(92～94)：(4～5)：(2～3)将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将70～80份石英粉玻璃、20～30份锆英粉、0.5～1份纳米氧化硅和0.5～1份氧化锆搅拌均匀，然后放入保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；
三、制备预制料：按质量比为100：(18～22)将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，搅拌4h～6h，得到预制料；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将预制料加入到压型模具中进行压制，再进行烧结，得到氧化硅陶瓷型芯；
其中步骤二中所述的石英玻璃粉由质量比为(4～6)：3：2的200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由质量比为(2～4)：1的180目和250目的锆英粉混合而成。
本发明所述的氧化硅陶瓷型芯通过新的成分配比，即添加纳米氧化硅，可以降低陶瓷型芯的高温挠度并且提高型芯的抗弯强度。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，这对叶片的性能指标要求越来越高。通过实验测试，本发明的氧化硅陶瓷型芯的抗弯强度为17.33MPa，明显高于已有氧化硅陶瓷型芯的抗弯强度，提高了70.3％；其高温挠度为0.291mm，低于原来成分配比的陶瓷型芯高温挠度，高温挠度降低了0.238mm。
本发明氧化硅陶瓷型芯的制备过程及操作简单，浆料有良好的流动性，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为实施例一得到的氧化硅陶瓷型芯断口2000倍的SEM图；
图2为实施例一得到的氧化硅陶瓷型芯高温挠度测试后照片；其中a为实施例得到的氧化硅陶瓷型芯，b为对比实施例得到的陶瓷型芯。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式氧化硅陶瓷型芯由质量比为100：(18～22)的陶瓷浆料和增塑剂混合烧结制备而成；所述的陶瓷浆料按质量份数由70～80份石英粉玻璃、20～30份锆英粉、0.5～1份纳米氧化硅和0.5～1份氧化锆混合而成，其中所述的石英玻璃粉由200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由180目和250目的锆英粉混合而成；所述的增塑剂按质量比为(92～94)：(4～5)：(2～3)由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成。
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石英玻璃粉按质量比为(4～6)：3：2由200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成。
具体实施方式三：本实施方式的与具体实施方式一或二不同的是锆英粉由质量比为(2～4)：1的180目和250目的锆英粉混合而成。
具体实施方式四：本实施方式的与具体实施方式一至三之一不同的是纳米氧化硅的平均粒径为200nm。
具体实施方式五：本实施方式氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤实施：
一、配置增塑剂：按质量比为(92～94)：(4～5)：(2～3)将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将70～80份石英粉玻璃、20～30份锆英粉、0.5～1份纳米氧化硅和0.5～1份氧化锆搅拌均匀，然后放入保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；
三、制备预制料：按质量比为100：(18～22)将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，搅拌4h～6h，得到预制料；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将预制料加入到压型模具中进行压制，再进行烧结，得到氧化硅陶瓷型芯；
其中步骤二中所述的石英玻璃粉由质量比为(4～6)：3：2的200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由质量比为(2～4)：1的180目和250目的锆英粉混合而成。
具体实施方式六：本实施方式的与具体实施方式五不同的是步骤二按质量份数由73份石英粉玻璃、25份锆英粉、1份纳米氧化硅和1份氧化锆搅拌均匀。其它步骤与参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式的与具体实施方式五或六不同的是步骤三按质量比为100：20将陶瓷浆料加入到增塑剂中。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：本实施方式的与具体实施方式五至七之一不同的是步骤三控制陶瓷浆料的加入速度为20g/min～30g/min。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：本实施方式的与具体实施方式五至八之一不同的是在搅拌速度为60r/min～70r/min的条件下搅拌4h～6h。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：本实施方式的与具体实施方式五至九之一不同的是步骤四中以1150～1200℃的温度进行烧结14～16h。其它步骤与参数与具体实施方式五至九之一相同。
实施例：本实施例氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤实施：
一、配置增塑剂：按质量比为93：5：2将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将73份石英粉玻璃、25份锆英粉、1份纳米氧化硅和1份氧化锆(四方相氧化锆)搅拌均匀，然后放入保温箱中在温度为90℃的条件下保温3h，得到陶瓷浆料；
三、制备预制料：按质量比为100：20将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，控制加入速度25g/min，在搅拌速度为65r/min下搅拌5h，得到预制料；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为90℃，然后将预制料加入到压型模具中进行压制，烧结升温过程如下：在120min内从室温升到300℃，在300℃下保温100min，在100min内从300℃升温到500℃，在500℃下保温100min，在100min内从500℃升温到900℃，在900℃下保温60min，在63min内从900℃升温到1180℃，在1180℃下保温120min，随炉冷却，得到氧化硅陶瓷型芯；
其中步骤二中所述的石英玻璃粉由质量比为5：3：2的200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由质量比为3：1的180目和250目的锆英粉混合而成。
本实施例氧化硅陶瓷型芯的制备过程大约为15小时。
采用Helios Nanolab600i扫描电镜对本实施例得到的氧化硅陶瓷型芯断口进行扫描，得到2000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室温强度及高温性能有积极的帮助。
对比实施例：本实施例与上述实施例不同的是步骤二按质量份数将73份石英粉玻璃和25份锆英粉搅拌均匀，然后放入保温箱中在温度为90℃的条件下保温3h，得到陶瓷浆料。
将实施例得到的改进后并经高温强化(将烧结后的氧化硅陶瓷型芯放入硅酸乙酯溶液中浸泡24小时)后的氧化硅陶瓷型芯与对比实施例得到的陶瓷型芯进行高温(1350℃)挠度测试，得到如图2所示的对比照片，从图2中可以看出，实施例得到的氧化硅陶瓷型芯的高温挠度要低于对比实施例陶瓷型芯。

Claims (10)

1.一种氧化硅陶瓷型芯，其特征在于该氧化硅陶瓷型芯由质量比为100：(18～22)的陶瓷浆料和增塑剂混合烧结制备而成；所述的陶瓷浆料按质量份数由70～80份石英粉玻璃、20～30份锆英粉、0.5～1份纳米氧化硅和0.5～1份氧化锆混合而成，其中所述的石英玻璃粉由200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由180目和250目的锆英粉混合而成；所述的增塑剂按质量比为(92～94)：(4～5)：(2～3)由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种氧化硅陶瓷型芯，其特征在于石英玻璃粉按质量比为(4～6)：3：2由200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成。
3.根据权利要求1所述的一种氧化硅陶瓷型芯，其特征在于锆英粉由质量比为(2～4)：1的180目和250目的锆英粉混合而成。
4.根据权利要求1所述的一种氧化硅陶瓷型芯，其特征在于纳米氧化硅的平均粒径为200nm。
5.一种氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于该方法是通过下列步骤实现：
一、配置增塑剂：按质量比为(92～94)：(4～5)：(2～3)将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将70～80份石英粉玻璃、20～30份锆英粉、0.5～1份纳米氧化硅和0.5～1份氧化锆搅拌均匀，然后放入保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；
三、制备预制料：按质量比为100：(18～22)将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，搅拌4h～6h，得到预制料；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将预制料加入到压型模具中进行压制，再进行烧结，得到氧化硅陶瓷型芯；
其中步骤二中所述的石英玻璃粉由质量比为(4～6)：3：2的200目、300目和400目的石英玻璃粉混合而成，所述的锆英粉由质量比为(2～4)：1的180目和250目的锆英粉混合而成。
6.根据权利要求5所述的一种氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤二按质量份数由73份石英粉玻璃、25份锆英粉、1份纳米氧化硅和1份氧化锆搅拌均匀。
7.根据权利要求5所述的一种氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤三按质量比为100：20将陶瓷浆料加入到增塑剂中。
8.根据权利要求5所述的一种氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤三控制陶瓷浆料的加入速度为20g/min～30g/min。
9.根据权利要求5所述的一种氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于在搅拌速度为60r/min～70r/min的条件下搅拌4h～6h。
10.根据权利要求5所述的一种氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤四中以1150～1200℃的温度进行烧结14～16h。
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