CN108299001B - 一种硅基陶瓷型芯成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基陶瓷型芯成型方法,一种两步法制备硅基陶瓷型芯:第一步,以注射成型工艺制备氧化硅型芯粗坯;第二步:用溶胶凝胶结合超临界干燥工艺在粗坯中引入纳米及亚微米级颗粒,增强硅基陶瓷型芯的综合性能。与单独用注射成型方式制备硅基陶瓷型芯的工艺相比,本发明过程可控度更高,制备的产品收缩率更小,产品的组织结构更均匀,强度更高,能极大提高硅基陶瓷型芯的良率。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷型芯成型领域,是一种制备氧化硅基陶瓷型芯的工艺。
背景技术
硅基陶瓷型芯具有膨胀系数小、抗热振性好、机械强度高、脱芯方便等优点,是目前在空心涡轮叶片领域应用得最广泛的型芯材料。
硅基陶瓷型芯制备工艺的核心之一是获得具有合适级配的粉体。目前,主要是通过将不同粒径粉体混合进行颗粒级配。在现有的技术条件下,无法有效地控制粉体中细粉的粒径分布及其含量,也无法将细粉均匀地分散,这将极大地影响型芯的尺寸稳定性及力学性能。
在型芯烧结完成后,部分细粉颗粒粘接在粗颗粒表面,并不参与型芯产品内部骨架的搭建,无法提高产品的强度,同时这部分细粉降低了产品的气孔率,不利于后续陶瓷型芯的脱除。
CN106083005A公开了一种高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯制备方法,通过依次将石英玻璃粉、电熔莫来石粉、煅烧海绵焦粉和硅溶胶混合得到陶瓷型芯粉体浆料,经固化成型后埋入氧化镁粉体中进行烘干,最后经烧结得到高孔隙率易脱除硅基陶瓷型芯,本发明能够在兼顾陶瓷型芯力学性能的同时,提高陶瓷型芯的孔隙率至46%以上,易提高其脱除性能。其采用将溶胶直接加入陶瓷型芯粉体浆料中搅拌成型,虽然也采用了溶胶和干燥烧结,但整体技术方案复杂,不利于工艺化应用,且该工艺使用水作为溶剂,易导致陶瓷粉体沉降,影响产品的均匀性,同时该工艺中引入无机盐类作为固化剂,容易腐蚀生产设备,该工艺量产困难很大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供了一种有效提高产品的气孔率、提高产品的强度、方便后续陶瓷型芯的脱除的硅基陶瓷型芯成型方法。
为实现本发明目的,提供了以下技术方案:一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于包括以下步骤:第一步:以注射成型制备氧化硅型芯粗坯;第二步:用溶胶凝胶浸渍并结合超临界干燥在粗坯中引入纳米及亚微米级颗粒,增强硅基陶瓷型芯的综合性能。
作为优选,注射成型中使用的氧化硅型芯粒径在25µm-75µm之间,呈正态分布。
作为优选,溶胶凝胶的制备原料包括:前驱体、溶剂、催化剂,所述溶剂包括去离子水和乙醇;所述催化剂为盐酸(0.1-0.5mol/L)和浓氨水;所述前驱体为正硅酸乙酯;去离子水和乙醇的摩尔比在0.1-1之间;正硅酸乙酯和乙醇的摩尔比在0-0.3之间,盐酸中Cl-与正硅酸乙酯的摩尔比为0.005-0.05,浓氨水的加入量占整个溶胶凝胶溶液体积的0.5‰-2‰。
作为优选,超临界干燥选用的介质为二氧化碳或乙醇。
作为优选,溶胶凝胶的制备方法包括以下步骤:氧化硅溶胶的制备:将正硅酸乙酯、去离子水和乙醇按比例加入容器中,并用搅拌器不断搅拌;加入盐酸,20℃-30℃条件下搅拌30分钟,即得到硅溶胶;取浓氨水加入到氧化硅溶胶中,快速搅拌1-20min;
将烧结好的型芯骨架浸入溶胶,抽真空处理,让溶胶粒子迅速填充到型芯骨架的孔隙中,在氨水的作用下,溶胶粒子慢慢形成凝胶,将包覆型芯骨架的凝胶从容器中取出,放于超临界干燥釜中;将设备温度和压力调整到介质的超临界点以上即可进行超临界干燥;乙醇的超临界点位243℃,6.8MPa;CO2的超临界点为31.06℃,7.38MPa,将设备温度和压力调整到介质的超临界点以上即可进行超临界干燥;
超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行二次高温烧结,烧结温度为1000℃-1300℃即可获得增强的陶瓷型芯样品;
作为优选,根据实际需要,对型芯骨架进行多次溶胶浸渍,以获得符合要求的产品。
作为优选,采用注射成型工艺制备氧化硅型芯骨架的步骤:选用粒径在25µm-75µm之间的熔融石英粉体作为骨架原料,使用行星搅拌机或密炼机将陶瓷粉体与粘结剂混合;
将喂料放入型芯成型机中进行注射成型,然后将生坯放于填料中进行脱脂烧结,烧结温度在1150-1300℃之间。
本发明的有益效果:(1)为了提高陶瓷型芯的力学性能和批次稳定性,我们采用两步法制备陶瓷型芯产品。第一步:使用注射成型工艺制备陶瓷型芯的骨架;第二步:使用溶胶凝胶结合超临界干燥工艺向型芯骨架中引入纳米级氧化硅颗粒;
(2)注射成型工艺中使用的粉体为粗颗粒粉体粒径在25µm-75µm之间,在现有的技术条件下,这种粒度范围的粉体可以有效地进行级配,成型产品结构更均匀,收缩率更小;
(3)使用溶胶凝胶结合超临界干燥工艺,可以以在型芯内部原位合成纳米级氧化硅颗粒。纳米级的氧化硅细粉具有很好的烧结活性,热处理后可有效地增强由粗颗粒搭建的骨架,不仅能增强型芯的强度,还可以获得更均匀的孔径分布;
(4)溶胶凝胶中还可以掺入矿化剂或其他助剂前驱体或矿化剂颗粒,通过该工艺可将这些助剂均匀地分布在产品结构中,提高产品的性能。
具体实施方式
实施例1:
用筛分方法选用粒径在25µm-75µm之间的熔融石英粉体作为使用骨架原料,用行星搅拌机将其与粘结剂混合,粘结剂的质量分数为15wt%;
将喂料放入型芯成型机中进行注射成型,然后将生坯放于填料中进行脱脂烧结,烧结温度为1250℃;
按照摩尔比1:4:10:0.01量取正硅酸乙酯(TEOS)、去离子水、乙醇和盐酸;依次将TEOS、乙醇和去离子水加入到容器中,置于搅拌器上搅拌;将盐酸(0.3mol/L)加入容器中,室温(25℃)下搅拌30分钟;
取占溶胶体积5‰含量的浓氨水加入到氧化硅溶胶中,快速搅拌1min。将烧结好的型芯骨架浸入溶胶,抽真空处理;
待体系形成凝胶后,将包覆型芯骨架的凝胶从容器中取出,放于超临界干燥釜中;
向干燥釜中加入乙醇,将容器温度加热到250℃,压力为7.3MPa,此时反应釜内流体达到超临界状态,在该温度小保温2h;
超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行二次高温烧结,烧结温度为1100℃,保温2h,获得增强的陶瓷型芯样品。
实施例2:
用筛分方法选用粒径在25µm-75µm之间的熔融石英粉体作为使用骨架原料,用行星搅拌机将其与粘结剂混合,粘结剂的质量分数为20wt%;
将喂料放入型芯成型机中进行注射成型,然后将生坯放于填料中进行脱脂烧结,烧结温度为1200℃;
按照摩尔比1:12:20:0.01量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸;依次将TEOS、乙醇和去离子水加入到容器中中,置于搅拌器上搅拌;将盐酸(0.2mol/L)加入容器中,室温(25℃)下搅拌30分钟。
取占溶胶体积5‰含量的浓氨水加入到氧化硅溶胶中,快速搅拌3min。将烧结好的型芯骨架浸入溶胶,抽真空处理;
待体系形成凝胶后,将包覆型芯骨架的凝胶从容器中取出,放于超临界干燥釜中;
向干燥釜中通入液态CO2,将容器温度和压力调整到CO2超临界压点以上,保温2h;
超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行二次高温烧结,烧结温度为1150℃,保温2h,获得增强的陶瓷型芯样品。
实施例3:
用筛分方法选用粒径在25µm-75µm之间的熔融石英粉体作为使用骨架原料,用行星搅拌机将其与粘结剂混合,粘结剂的质量分数为13wt%;
将喂料放入型芯成型机中进行注射成型,然后将生坯放于填料中进行脱脂烧结,烧结温度为1200℃;
按照摩尔比1:8:20:0.01量取TEOS、去离子水、乙醇和盐酸;依次将TEOS、乙醇和去离子水加入到容器中中,置于搅拌器上搅拌;将盐酸(0.2mol/L)加入容器中,室温(25℃)下搅拌30分钟;
取占溶胶体积5‰含量的浓氨水加入到氧化硅溶胶中,快速搅拌3min。将烧结好的型芯骨架浸入溶胶,抽真空处理;
待体系形成凝胶后,将包覆型芯骨架的凝胶从容器中取出,放于超临界干燥釜中;
向干燥釜中通入液态CO2,将容器温度和压力调整到CO2超临界压点以上,保温2h;
超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行二次高温烧结,烧结温度为1100℃,保温2h,获得增强的陶瓷型芯样品;
将增强的陶芯样品再一次进入到制备的溶胶凝胶体系中,待体系形成凝胶后,将包覆型芯骨架的凝胶从容器中取出,放于超临界干燥釜中进行CO2超临界干燥;
超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行三次高温烧结,烧结温度为1100℃,保温2h,获得增强的陶瓷型芯样品。
Claims (8)
1.一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于包括以下步骤:第一步:以注射成型制备氧化硅型芯粗坯;第二步:用溶胶凝胶浸渍并结合超临界干燥在粗坯中引入纳米及亚微米级氧化硅颗粒,增强硅基陶瓷型芯的综合性能,超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行二次高温烧结,烧结温度为1000℃-1300℃,获得增强的陶瓷型芯样品。
2.根据权利要求1所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于溶胶凝胶的制备原料包括:前驱体、溶剂、催化剂,所述溶剂包括去离子水和乙醇;所述催化剂为盐酸和浓氨水,所述盐酸浓度为0.1-0.5mol/L;所述前驱体为正硅酸乙酯;去离子水和乙醇的摩尔比在0.1-1之间;正硅酸乙酯和乙醇的摩尔比在0-0.3之间,盐酸中Cl-与正硅酸乙酯的摩尔比为0.005-0.05,浓氨水的加入量占整个溶胶凝胶溶液体积的0.5‰-2‰。
3.根据权利要求1所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于超临界干燥选用的介质为二氧化碳或乙醇。
4.根据权利要求2所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于溶胶凝胶的制备方法包括以下步骤:氧化硅溶胶的制备:将正硅酸乙酯、去离子水和乙醇按比例加入容器中,并用搅拌器不断搅拌;加入盐酸,20℃-30℃条件下搅拌30分钟,即得到硅溶胶;取浓氨水加入到氧化硅溶胶中,快速搅拌1-20min;
将烧结好的型芯骨架浸入溶胶,抽真空处理,让溶胶粒子迅速填充到型芯骨架的孔隙中,在氨水的作用下,溶胶粒子慢慢形成凝胶,将包覆型芯骨架的凝胶从容器中取出,放于超临界干燥釜中;将设备温度和压力调整到介质的超临界点以上即可进行超临界干燥;
超临界干燥完成之后,取出型芯样品,清除表面残留气凝胶后,将样品进行二次高温烧结,烧结温度为1000℃-1300℃即可获得增强的陶瓷型芯样品。
5.根据权利要求4所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于根据实际需要,对型芯骨架进行多次溶胶浸渍,以获得符合要求的产品。
6.根据权利要求1所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于采用注射成型工艺制备氧化硅型芯骨架的步骤:选用粒径在25µm-75µm之间的熔融石英粉体作为骨架原料,使用行星搅拌机或密炼机将陶瓷粉体与粘结剂混合;
将喂料放入型芯成型机中进行注射成型,然后将生坯放于填料中进行脱脂烧结,烧结温度在1150-1300℃之间。
7.根据权利要求6所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于粘结剂的主要成分是石蜡和分散剂,粘结剂在整个氧化硅型芯骨架的质量分数为12wt%-20wt%。
8.根据权利要求1所述的一种硅基陶瓷型芯成型方法,其特征在于注射成型中使用的氧化硅型芯粒径在25µm-75µm之间,呈正态分布。
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