CN112321287A - 一种表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶瓷型芯的制造方法，具体涉及一种表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯及其制造方法，该型芯主要应用于海洋用抗热腐蚀合金的精密铸造。所述的表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯，包括氧化硅陶瓷型芯，所述氧化硅陶瓷型芯表面具有一层氧化铪涂层；所述的氧化硅陶瓷型芯由熔融二氧化硅粉陶瓷浆料、半精炼石蜡、硬脂酸和ɑ‑氧化铝粉矿化剂混合烧结而成；所述的氧化铪涂层的厚度为2‑15μm。本发明陶瓷型芯主要适用于抗热腐蚀涡轮叶片铸件，特别是燃气轮机用大尺寸涡轮叶片，既保证型芯的强度，又能保证叶片复杂内腔的粗糙度，提高铸件的使用寿命；所述的制造方法，科学合理、简单易行。

Description

一种表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯及其制造方法
技术领域
本发明涉及陶瓷型芯的制造方法，具体涉及一种表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯及其制造方法，该型芯主要应用于海洋用抗热腐蚀合金的精密铸造。
背景技术
陶瓷型芯是制造熔模铸造空心铸件的转接件，其作用是形成空心铸件的内腔形状，并与型壳共同保证铸件壁厚的尺寸精度。随着国家对蓝色海洋事业大力发展，舰船用燃气轮机功率越来越大，对叶片的性能要求越来越高，大量空心、镂空设计叶片的运用，对陶瓷型芯的要求越来越高。铸件内部型腔的冶金质量对铸件的性能有着较大的影响，粗糙型腔内表面不利于提高铸件的使用性能。
而舰船用燃气轮机叶片用合金需要具有良好的抗热腐蚀性和良好的高温强度，故所需要的母合金材料中含有大量的金属钨、钼、铌等元素以提高合金高温强度，同时，含有铝、钛、铪和铬等活泼性元素以提高合金的抗热腐蚀性能。在浇注大尺寸叶片铸件时，合金中含有大量大原子半径的钨、钼、铌等活泼元素，钢液的流动性较差，需要提高浇注温度来使金属液获得良好的流动性，但是浇注钢液温度过高，会对陶瓷型芯产生危害，即合金中活泼元素会与陶瓷型芯发生化学反应，形成金属氧化物或者产生气体，使铸件表面产生氧化物夹杂和气泡缺陷，造成燃气轮机叶片型腔内部粗糙度增大，不利于提高铸件质量，从而降低铸件的使用寿命。
从陶瓷型芯生产流程上来看，现有工艺只是考虑了对陶瓷型芯强度的技术指标要求，没有具体考虑到高温浇注下钢液对陶瓷型芯的发生化学反应的指标。海洋环境下，不同牌号的抗热腐蚀高温合金含有活泼元素种类和含量不同，针对含有较多与氧化硅陶瓷型芯发生反应的合金，在满足型芯强度要求的同时，也要满足阻止钢液与陶瓷型芯发生化学反应。
故需制备出一种高温下强度性能优良且不与金属液发生化学反应的陶瓷型芯。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯，主要适用于抗热腐蚀涡轮叶片铸件，特别是燃气轮机用大尺寸涡轮叶片，既保证型芯的强度，又能保证叶片复杂内腔的粗糙度，提高铸件的使用寿命；本发明还提供其制造方法，科学合理、简单易行。
本发明所述的表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯，包括氧化硅陶瓷型芯，所述氧化硅陶瓷型芯表面具有一层氧化铪涂层；
所述的氧化硅陶瓷型芯由熔融二氧化硅粉陶瓷浆料、半精炼石蜡、硬脂酸和ɑ-氧化铝粉矿化剂混合烧结而成；
型芯的制备：按照本领域的常规方法，将熔融二氧化硅粉陶瓷浆料、半精炼石蜡、硬脂酸和ɑ-氧化铝粉矿化剂混合烧结制备成陶瓷型芯；
其中，所述的熔融二氧化硅粉陶瓷浆料：增塑剂(半精炼石蜡、硬脂酸)：ɑ-氧化铝粉矿化剂的质量比为(73-80)：(15-17)：(5-10)。
所述陶瓷浆料由100目、200目和325目的熔融二氧化硅粉按1：3：6混合而成。所述的增塑剂按质量比由半精炼石蜡：硬脂酸＝(85-90)：(10-15)构成。所述的矿化剂由300-400目的ɑ-氧化铝粉体构成。
陶瓷型芯烧结工艺：600℃保温30-35min，由600℃升至980℃，保温120-130min，炉冷到室温，制得陶瓷型芯。
所述的氧化铪涂层的厚度为2-15μm，优选3-5μm。
本发明所述的表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯的制造方法，包括以下步骤：
1)预清洗
将氧化硅陶瓷型芯进行预清洗，去除表面的油渍或固体颗粒，烘干；
2)喷涂
在烘干后的氧化硅陶瓷型芯表面喷涂粒度为50-55nm碳化铪粉末，采用高速氧燃料火焰喷涂工艺；
3)热处理
将喷涂好碳化铪涂层的氧化硅陶瓷型芯放入真空气氛炉进行热处理，随炉冷却，得表面具有抗腐蚀的氧化硅陶瓷型芯；其中，所述的真空气氛炉温度设置为600-650℃，优选635℃，氧气分压为20-25kPa，优选24kPa，时间为120-130min，优选126min。
步骤1)中，采用脂肪醇聚氧乙烯醚溶液、肥皂水或盐酸水溶液对氧化硅陶瓷型芯进行预清洗，优选采用脂肪醇聚氧乙烯醚溶液。具体地，所述的脂肪醇聚氧乙烯醚优选AEO9或AEO25。
所述的脂肪醇聚氧乙烯醚溶液的浓度为3.0-3.5wt.％。
步骤2)中，所述的高速氧燃料火焰喷涂工艺，控制条件如下：送粉量为45-70g/min，氧与丙烷的比例为4.75：1.25，喷涂距离为200-210mm。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的氧化硅陶瓷型芯主要用于生产舰船用叶片，通过对陶瓷型芯进行喷涂，经热处理后生成氧化铪氧化层，阻止钢液中的活泼元素与陶瓷型芯发生化学反应。通过实验测试，采用表面具有氧化层的陶瓷型芯强度高，浇注出叶片的内部型腔具有较低的表面粗糙度，明显优于现有陶瓷型芯，提高铸件的使用寿命。
2、所述的制造方法，科学合理、简单易行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例中用到的所有原料除特殊说明外，均为市购。
实施例1
将熔融二氧化硅粉陶瓷浆料、半精炼石蜡、硬脂酸增塑剂和ɑ-氧化铝粉矿化剂混合烧结制备成陶瓷型芯。将陶瓷型芯进行预清洗、喷涂和热处理后，即获得表面具有抗腐蚀性的陶瓷型芯。
所述的表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯的制造方法，具体由以下步骤组成：
1)预清洗：
将制备完成的陶瓷型芯进行预清洁工作，去除表面的油渍或固体颗粒，溶剂采用3.3％脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO9)水溶液，然后进行烘干处理。
2)陶瓷型芯喷涂：
将平均粒度为50nm的碳化铪粉末进行高速氧燃料火焰喷涂，在陶瓷型芯表面喷涂4μm的碳化铪涂层。所述的高速氧燃料火焰喷涂工艺，控制条件如下：送粉量为60g/min，氧与丙烷的比例为4.75：1.25，喷涂距离为205mm。
3)热处理：
将喷涂好碳化铪涂层的陶瓷型芯放入真空气氛炉进行热处理，热处理完成后，随炉冷却，得表面具有抗腐蚀的氧化硅陶瓷型芯。其中，真空气氛炉温度设置为635℃，氧气分压为24kPa，时间为126min。
实施例2
试验方式与实施例1不同的是陶瓷型芯表面喷涂7μm的碳化铪涂层。
实施例3
试验方式与实施例1不同的是陶瓷型芯表面喷涂10μm的碳化铪涂层。
实施例4
试验方式与实施例1不同的是陶瓷型芯表面喷涂一层15μm的碳化铪涂层。
实施例5
试验方式与实施例1不同的是陶瓷型芯表面喷涂一层2μm的碳化铪涂层。
实施例6
试验方式与实施例1不同的是陶瓷型芯表面喷涂一层0.5μm的碳化铪涂层。
对比例1
表面未喷涂碳化铪涂层，直接获得二氧化硅陶瓷型芯。
对比例2
试验方式与实施例1不同的是，陶瓷型芯表面直接喷涂4μm的氧化铪涂层，不进行后续的热处理过程。
分别对实施例1-6和对比例1-2制得的陶瓷型芯进行性能测试，测试结果见表1和表2。
表1实施例1-6制得的陶瓷型芯的性能测试结果
实施例 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
型芯强度/MPa 28.5 25.3 24.2 20.6 28.4 32.3
粗糙度Ra/μm 3.26 3.23 3.14 3.05 6.25 15.0
从表1中可以看出，氧化铪涂层越厚，陶瓷型芯的强度越低，原因在于陶瓷型芯表面涂层越厚，经过热处理后，涂层与基体的结合强度越小，结合处易产生裂纹，降低型芯的强度。表面涂层越薄，在高温熔液浇注的情况下，氧化铪涂层不能完全阻止钢液中的活泼元素与陶瓷型芯发生化学反应，从而，铸件型腔的内表面粗糙度增大，不利于提高铸件的使用寿命。
试验表明：陶瓷型芯表面喷涂3-5μm的碳化铪，经过热处理后，形成的氧化铪涂层既能阻止钢液中活泼元素与型芯发生化学反应，又能满足陶瓷型芯的强度要求。
表2对比例1-2制得的陶瓷型芯的性能测试结果
对比例 对比例1 对比例2
型芯强度/MPa 33.1 28.0
粗糙度Ra/μm 58.3 58.6
由表2中可以看出，陶瓷型芯表面未进行喷涂和热处理，铸件型腔的内表面粗糙度较大。同时，直接喷涂氧化铪涂层，并未进行热处理过程，型腔内部粗糙度变大。原因在于，直接喷涂氧化铪，在高温情况下，涂层与基体界面结合度较差，在高温情况下，易发生脱落。
本发明中，陶瓷型芯表面喷涂3-5μm碳化铪涂层，在热处理过程中，生成的氧化铪能够与陶瓷界面产生紧密的结合，在高温情况下，不易脱落，提高铸件型腔的表面冶金质量。
本发明中采用的试验设备：
粗糙度检测采用日本Mitutoyo型号为SJ-210粗糙度检测仪，将采用热压注工艺制备尺寸为0.5cm×3cm×15cm的陶瓷型芯试板，高温焙烧后制得陶瓷型芯试板，喷涂上不同厚度的碳化铪涂层。采用真空感应熔炼将试验用母合金进行重熔，将钢液浇注在陶瓷型芯试板上，然后进行脱模处理，测得表面粗糙度。
抗弯强度采用万能拉伸/压缩试验机。

Claims (7)

1.一种表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于：包括氧化硅陶瓷型芯，所述氧化硅陶瓷型芯表面具有一层氧化铪涂层；
所述的氧化硅陶瓷型芯由熔融二氧化硅粉陶瓷浆料、半精炼石蜡、硬脂酸和ɑ-氧化铝粉矿化剂混合烧结而成；
所述的氧化铪涂层的厚度为2-15μm。
2.根据权利要求1所述的表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于：所述的氧化铪涂层的厚度为3-5μm。
3.一种权利要求1或2所述的表面具有抗腐蚀性的氧化硅陶瓷型芯的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)预清洗
将氧化硅陶瓷型芯进行预清洗，去除表面的油渍或固体颗粒，烘干；
2)喷涂
在烘干后的氧化硅陶瓷型芯表面喷涂粒度为50-55nm碳化铪粉末，采用高速氧燃料火焰喷涂工艺；
3)热处理
将喷涂好碳化铪涂层的氧化硅陶瓷型芯放入真空气氛炉进行热处理，冷却，得表面具有抗腐蚀的氧化硅陶瓷型芯；其中，所述的真空气氛炉温度设置为600-650℃，氧气分压为20-25kPa，时间为120-130min。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：步骤1)中，采用脂肪醇聚氧乙烯醚溶液、肥皂水或盐酸水溶液对氧化硅陶瓷型芯进行预清洗。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述的脂肪醇聚氧乙烯醚溶液的浓度为3.0-3.5wt.％。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：步骤2)中，所述的高速氧燃料火焰喷涂工艺，控制条件如下：送粉量为45-70g/min，氧与丙烷的比例为4.75：1.25，喷涂距离为200-210mm。
7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于：步骤3)中，所述的真空气氛炉温度设置为635℃，氧气分压为24kPa，时间为126min。
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Denomination of invention: A silicon oxide ceramic core with corrosion resistance on the surface and its manufacturing method

Effective date of registration: 20230109

Granted publication date: 20220429

Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Yiyuan county subbranch

Pledgor: SHANDONG ROITIE NEW MATERIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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