CN107640963B

CN107640963B - 一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法

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Publication number: CN107640963B
Application number: CN201710983754.7A
Authority: CN
Inventors: 曾洪; 伍林; 何建; 杨功显; 杨照宏; 巩秀芳; 赵代银; 张松泉
Original assignee: DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Current assignee: DEC Dongfang Turbine Co Ltd
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: CN107640963A

Abstract

本发明属于高温合金熔模精密铸造领域，具体为一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法。该方法采用灌注的方法，利用相对低廉的原材料制备气孔率高的陶瓷型芯“芯骨”，再将该“芯骨”放入陶瓷型芯模具中，采用热压注方法制备陶瓷型芯。该方法可以有效防止陶瓷型芯厚大部位的变形和收缩，而且可以在保证材料强度的条件下，提高陶瓷型芯局部的气孔率，从而大大提高脱芯效率。同时，陶瓷型芯“芯骨”可以采用相对低廉的原材料进行制备，因而大大降低了陶瓷型芯的制备成本。

Description

一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法

技术领域

本发明属于高温合金熔模精密铸造领域，特别涉及燃气轮机或航空发动机透平空心叶片用陶瓷型芯材料的制备技术。

背景技术

现代燃气轮机和航空发动透平空心叶片必须采用熔模精密铸造的方法成型，用陶瓷型芯来形成叶片内腔。由于空心叶片内腔无法加工，只能依靠陶瓷型芯直接成型，所以对陶瓷型芯的尺寸精度要求很高。在浇注过程中，陶瓷型芯需要在1400℃以上的高温合金液中浸泡，为保证陶瓷型芯不变形、不断裂、不与合金液发生化学反应，必须严格控制原料中低熔点杂质和易与合金反应杂质的含量，所以对陶瓷型芯原材料的化学成分和纯度要求较高，导致陶瓷型芯原材料价格昂贵。

燃气轮机和航空发动机透平空心叶片精密铸造用陶瓷型芯形状复杂，各部分厚度不一，叶片前缘处陶瓷型芯较厚，尾缘处陶瓷型芯较薄。对重型燃气轮机透平空心叶片来说，需要大尺寸的陶瓷型芯，长度一般超过100mm（有的超过500mm），厚度一般超过15mm（有的超过30mm）。目前燃气轮机和航空发动机透平空心叶片精密铸造用陶瓷型芯一般采用热压注方法成形，这些大尺寸陶瓷型芯极易在厚大部位发生收缩或变形，降低了合格率。

此外，陶瓷型芯的脱除时间一般为24小时左右，对于大尺寸陶瓷型芯，脱芯时间甚至超过48小时，脱芯效率低下。

目前，尚无较为合理的方法在保证陶瓷型芯强度的前提下，同时解决大尺寸陶瓷型芯厚大部位收缩或变形、脱芯时间长以及原材料成本高的问题。

发明内容

本发明正是针对以上问题，提供一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法。该方法可以有效防止陶瓷型芯厚大部位收缩或变形，同时由于提高了陶瓷型芯内部的气孔率，从而提高了脱芯效率。另外，陶瓷型芯“芯骨”可以采用相对低廉的材料进行制备，因而大大降低了原材料成本。

本发明的具体技术方案为：

一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其包括以下步骤：

（1）将纯度、品质较低（纯度在90%~98.0%）的陶瓷粉料烘干后，按材料要求将不同粒径的陶瓷粉料进行配比并均匀混合，制得1#陶瓷粉料；

（2）将石蜡熔化后，加入少量油酸并均匀混合后，与1#陶瓷粉料按一定质量配比均匀混合，制成1#陶瓷浆料，该陶瓷浆料用于制备陶瓷型芯“芯骨”生坯。

（3）将纯度、品质高（纯度高于98.0%）的陶瓷粉料烘干后，按照材料要求将不同粒径的陶瓷粉进行配比并均匀混合，制得2#陶瓷粉料；

（4）将石蜡熔化后，加入少量油酸并均匀混合后，与2#陶瓷粉料按一定质量配比均匀混合，制成2#陶瓷浆料，该陶瓷浆料用于制备陶瓷型芯外层结构。

（5）将1#陶瓷浆料灌入“芯骨”模具中，待冷却成型后取出即制得陶瓷型芯“芯骨”生坯。

（5'）将“芯骨”生坯埋入工业氧化铝粉中焙烧，制得“芯骨”陶瓷型芯。注：此步骤可根据步骤（6）对芯骨强度要求而取消或保留，若“芯骨”生坯满足步骤（6）所需强度要求，则该步骤可以取消。若“芯骨”生坯无法满足步骤（6）所需强度要求，则该步骤保留。

（6）将“芯骨”放入陶瓷型芯模具中，采用热压注的方法，将2#陶瓷浆料压注进入陶瓷型芯模具中，待浆料冷却后取出即制得陶瓷型芯生坯，该生坯内层为“芯骨”。

（7）将陶瓷型芯生坯埋入工业氧化铝粉料中焙烧后制成陶瓷型芯。

本发明中，芯骨材料中陶瓷粉料与石蜡的质量比为85%：15% ~ 70%：30%，即石蜡占总重量的15%~30%，油酸质量为陶瓷粉料质量的0.5%~1.0%；外层结构材料中陶瓷粉料与石蜡的质量比为87%：13% ~ 82%：18%，即石蜡占总质量的13%~18%，，油酸质量为陶瓷粉料质量的0.5%~1.0%。本梯度陶瓷型芯中，芯骨材料的石蜡含量高于外层结构材料，由此在烧成后的陶瓷型芯中由外层结构到芯骨形成“从低到高”的梯度气孔率，利于脱芯，同时降低制造成本。

步骤（2）和步骤（4）所用石蜡材料应保证在进行步骤（6）时，熔化的2#陶瓷浆料不会使由1#陶瓷浆料制成的“芯骨”软化或熔化，以防止“芯骨”在陶瓷型芯模具中定位不准。

本发明的积极效果体现在：

（一）、在易于收缩或变形的厚大部位，采用灌注的方法，利用相对低廉的原材料制备气孔率高的陶瓷型芯 “芯骨”，再将该“芯骨”放入陶瓷型芯模具中，采用热压注方法制备陶瓷型芯。该方法可以有效防止陶瓷型芯厚大部位收缩或变形，同时由于提高了陶瓷型芯内部的气孔率，从而提高了脱芯效率。

（二）、陶瓷型芯“芯骨”可以采用相对低廉的材料进行制备，因而大大降低了原材料成本。

附图说明：

图1为本发明中所述陶瓷型芯“芯骨”示意图；

其中，1、2、3所示部位均为“芯骨”在陶瓷型芯模具中的定位柱。

图2为本发明中包含“芯骨”的陶瓷型芯示意图；

其中，1为“芯骨”，2为外层陶瓷型芯结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，但不限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将分别过325目、150目、70目，纯度为92.3%的熔融石英粉与纯度为95.6%的350目氧化铝粉在120℃下烘干90分钟后，按质量比为40%：30%：20%：10%的比例均匀混合。

(2)将石蜡（70号）加热至90℃完全熔化后，加入少量油酸均匀混合后，向蜡液中分批次缓慢加入步骤（1）制得的混合粉料，搅拌均匀后抽真空，制得1#陶瓷浆料。石蜡、油酸和混合粉料的质量比为19.6%：0.4%：80%。

(3)将分别过325目、150目、70目，纯度为99.5%的熔融石英粉与纯度为99.3%的800目氧化铝粉在120℃下烘干90分钟后，按质量比为45%：25%：20%：10%的比例均匀混合。

(4)将石蜡（58号）加热至80℃完全熔化后，向蜡液中加入少量油酸并搅拌均匀，再向蜡液中分批次缓慢加入步骤（3）制得的混合粉料，石蜡、油酸与混合粉料的质量比为14.57%：0.43%：85%，搅拌均匀后抽真空，制得2#陶瓷浆料。

(5)将85℃的1#陶瓷浆料灌注到陶瓷型芯“芯骨”金属模具中，冷却120秒后取出，制得陶瓷型芯“芯骨”生坯。

(6)将该“芯骨”放入陶瓷型芯模具中，将70℃的2#浆料在40bar的注射压力下压注至陶瓷型芯模具中，冷却120秒后取出，制得陶瓷型芯生坯。

(7)将陶瓷型芯生坯埋入纯度为99.0%的250目工业氧化铝粉，以30℃/h的升温速率升至1200℃并保温5小时后取出，即制得梯度陶瓷型芯。

制得的梯度陶瓷型芯在厚大部位没有凹陷，变形明显小于常规方法制得的陶瓷型芯。制得的梯度陶瓷型芯内部“芯骨”的气孔率为约35%，外层结构气孔率为29.8%，脱芯时间为19.5小时，与常规的陶瓷型芯的脱芯时间相比，缩短了近20%。制得的梯度陶瓷型芯内部“芯骨”的由低品质的材料制得，节省了约30%的制造成本。

实施例2：

一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将分别过400目、200目、100目，纯度为92.0%的熔融石英粉与纯度为96.4%的400目氧化铝粉在120℃下烘干90分钟后，按质量比为35%：30%：20%：15%的比例均匀混合。

(2)将石蜡（64号）加热至85℃完全熔化后，加入少量油酸，再向蜡液中分批次缓慢加入步骤（1）制得的混合粉料，石蜡、油酸与混合粉料的质量比为24.62%：0.38%：75%，搅拌均匀后抽真空，制得1#陶瓷浆料。

(3)分别将400目、200目、100目，纯度为98.9%的熔融石英粉与纯度为99.5%的1000目氧化铝粉在120℃下烘干90分钟后，按质量比为40%：30%：20%：10%的比例均匀混合。

(4)将石蜡（52号）加热至75℃完全熔化后，向蜡液中加入油酸并搅拌均匀，再批次缓慢加入步骤（3）制得的混合粉料，石蜡、油酸与混合粉料的质量比为15.5%：0.5%：84.0%，搅拌均匀后抽真空，制得2#陶瓷浆料。

(5)将90℃的1#陶瓷浆料灌注到陶瓷型芯“芯骨”金属模具中，冷却150秒后取出，制得陶瓷型芯“芯骨”生坯。

(6)将“芯骨”生坯埋入纯度为99.0%的250目工业氧化铝粉，在1250℃下焙烧4小时后取出。

(7)将该“芯骨”放入陶瓷型芯模具中，将75℃的2#浆料在40bar的注射压力下压注至陶瓷型芯模具中，冷却90秒后取出，制得陶瓷型芯生坯。

(8)将陶瓷型芯生坯埋入纯度为99.0%的250目工业氧化铝粉，以30℃/h的升温速率升至1200℃并保温5小时后取出，即制得梯度陶瓷型芯。

制得的梯度陶瓷型芯在厚大部位没有凹陷，变形明显小于常规方法制得的陶瓷型芯。制得的梯度陶瓷型芯内部“芯骨”的气孔率约为41%，外层结构气孔率为31%，脱芯时间为18小时，与常规的陶瓷型芯的脱芯时间相比，缩短了近27%。制得的梯度陶瓷型芯内部“芯骨”的由低品质的材料制得，节省了约30%的制造成本。

实施例3：

一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其包括以下步骤：

(2)将石蜡（70号）加热至90℃完全熔化后，加入少量油酸均匀混合后，向蜡液中分批次缓慢加入步骤（1）制得的混合粉料，搅拌均匀后抽真空，制得1#陶瓷浆料。石蜡、油酸和混合粉料的质量比为14.57%：0.43%：85%。

(4)将石蜡（58号）加热至80℃完全熔化后，向蜡液中加入少量油酸并搅拌均匀，再向蜡液中分批次缓慢加入步骤（3）制得的混合粉料，石蜡、油酸与混合粉料的质量比为19.6%：0.4%：80%，搅拌均匀后抽真空，制得2#陶瓷浆料。

制得的梯度陶瓷型芯在厚大部位没有凹陷，变形明显小于常规方法制得的陶瓷型芯。制得的梯度陶瓷型芯内部“芯骨”的气孔率为约29.8%，外层结构气孔率为35%。由于外层结构的气孔率过高，大大超过常规方法制备的陶瓷型芯的气孔率（26%~31%），因此由该陶瓷型芯制备的空心叶片的内腔粗糙度不满足要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将纯度、品质均较低的陶瓷粉料烘干后，按配比均匀混合，制得1#陶瓷粉料；

2)将石蜡熔化，加入少量油酸并混合均匀后，与1#陶瓷粉料按一定质量配比均匀混合，制成1#陶瓷浆料，该陶瓷浆料用于制备陶瓷型芯“芯骨”生坯；1#陶瓷粉料与石蜡按质量比17：3～7：3混合，油酸质量为陶瓷粉料质量的0.5％～1.0％；

3)将纯度、品质均高的陶瓷粉料烘干后，按照配比均匀混合，制得2#陶瓷粉料；

4)将石蜡熔化，加入少量油酸并混合均匀后，与2#陶瓷粉料与按一定质量配比均匀混合，制成2#陶瓷浆料，该陶瓷浆料用于制备陶瓷型芯外层结构；2#陶瓷粉料与石蜡按质量比87：13～82：18混合，油酸质量为陶瓷粉料质量的0.5％～1.0％；

5)将1#陶瓷浆料灌入“芯骨”模具中，待冷却成型后取出即制得陶瓷型芯“芯骨”生坯；

6)将“芯骨”放入陶瓷型芯模具中，采用热压注的方法，将2#陶瓷浆料压注进入陶瓷型芯模具中，待浆料冷却后取出即制得陶瓷型芯生坯，该生坯内层为“芯骨”；

7)将陶瓷型芯生坯埋入工业氧化铝粉料中焙烧后制成陶瓷型芯；1#陶瓷浆料中的石蜡含量高于2#陶瓷浆料中的石蜡含量。

2.根据权利要求1所述梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其特征在于：该方法还包括步骤(5')，该步骤根据步骤(6)对芯骨强度要求进行，若“芯骨”生坯满足步骤(6)所需强度要求，则取消该步骤；若“芯骨”生坯无法满足步骤(6)所需强度要求，需将“芯骨”生坯埋入工业氧化铝粉中焙烧，制得“芯骨”陶瓷型芯。

3.根据权利要求1所述梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(4)所用石蜡材料应保证在进行步骤(6)时，熔化的2#陶瓷浆料不会使由1#陶瓷浆料制成的“芯骨”软化或熔化，以防止“芯骨”在陶瓷型芯模具中定位不准。

4.根据权利要求1所述梯度陶瓷型芯材料的制备方法，其特征在于：所述纯度、品质均较低的陶瓷粉料是指其纯度在90％～98.0％之间的陶瓷粉料；纯度、品质均高的陶瓷粉料是指其纯度高于98.0％的陶瓷粉料。