專利名稱：一種復(fù)合陶瓷型芯制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷材料制備領(lǐng)域，特別涉及精密鑄造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用陶瓷型心制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的承溫能力的要求也越來(lái)越高，一般來(lái)說(shuō)，渦輪前進(jìn)口溫度每提高100°c，發(fā)動(dòng)機(jī)推力可以增加10%左右；為了使渦輪部件適應(yīng)不斷提高的渦輪前進(jìn)口溫度，必須從以下兩個(gè)方面提高渦輪葉片的工作溫度，一是提高葉片材料本身的承溫能力，二是通過(guò)改善葉片冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)提高葉片的冷卻效果。到目前為止，葉片材料的承受高溫能力有了很大提高，但是與葉片實(shí)際需求相比，還遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，因此，需要不斷更新葉片冷卻結(jié)構(gòu)，提高葉片冷卻效果，滿足先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。高效氣冷卻葉片的典型特點(diǎn)是葉片具有空腔結(jié)構(gòu)，且該空腔結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，傳統(tǒng)工藝中葉片采用精密鑄造的方法制備，葉片的空腔需采用陶瓷型芯才能形成，陶瓷型芯在高溫環(huán)境下要有較高的強(qiáng)度、較高的抗蠕變能力，同時(shí)在葉片鑄造后還必須能采用化學(xué)方法容易脫除，因此，陶瓷型芯要有合適的致密度，如果致密度太低，則高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力明顯下降，如果致密度太高，則不利于陶瓷型芯的脫除；因此，制備具有較高高溫性能且容易采用化學(xué)方法脫除的陶瓷型芯，則需要保持陶瓷型芯的強(qiáng)度的同時(shí)還要保持一定的孔隙率，這一矛盾給陶瓷型芯的制備帶來(lái)了相當(dāng)大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的:為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種制備具有高強(qiáng)度且易脫除的陶瓷型芯的方法，滿足了高效冷卻制備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的需要。本發(fā)明的具體工藝:1、制備增塑劑:將石蠟或其混合物熔化，在此狀態(tài)下逐漸加入聚乙烯，不斷攪拌，升溫至120°C _160°C，直至聚乙烯完全溶解到石蠟中，攪拌均勻后進(jìn)行過(guò)濾，備用；2、制備二氧化硅漿料:將增塑劑熔化，逐漸加入二氧化硅熱粉料，邊加入粉料邊攪拌，攪拌同時(shí)還要加入0.5% -1.0%的表面活性劑，攪拌時(shí)間2-8小時(shí)；3、內(nèi)層陶瓷型芯成型:將二氧化硅漿料溫度控制在100-140°C，采用注射成型方式進(jìn)行內(nèi)層陶瓷型芯成型；4、焙燒:將內(nèi)層陶瓷型芯裝入氧化鋁粉填料中進(jìn)行焙燒，終燒溫度為1150-1190°C，時(shí)間 3-5 小時(shí)；5、配制氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿:料漿的組合為氧化鋁粉與鋁溶膠或氧化釔粉與氧化釔溶膠或氧化鋯與鋯溶膠組成；6、浸泡、干燥:在負(fù)壓條件下將陶瓷型芯浸泡在氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿中2-6小時(shí)，然后在空氣中進(jìn)行干燥；

7、燒結(jié):將干燥后的陶瓷型芯進(jìn)行再燒結(jié)，終燒溫度為1350_1550°C，時(shí)間20-60分鐘，最后制得復(fù)合陶瓷型芯。本發(fā)明工藝中，增塑劑中，石蠟質(zhì)量百分比為80-95%，聚乙烯為2-5%，其余為蜂蠟或硬脂酸；本發(fā)明工藝中，內(nèi)層型芯陶瓷粉料為二氧化硅基陶瓷粉料；本發(fā)明工藝中，二氧化硅基陶瓷粉料中加入的表面活性劑為油酸或其他脂肪醇類物質(zhì)；本發(fā)明工藝中，二氧化硅基陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為0.4-0.8MPa，注射時(shí)間為20-120秒，保壓時(shí)間為20-120秒；本發(fā)明工藝中，二氧化硅基陶瓷型芯中的增塑劑采用填料方法脫除，填料采用三氧化二鋁粉末，粒度為100-300目工業(yè)用氧化鋁粉；本發(fā)明工藝中，二氧化硅基陶瓷型芯脫蠟階段采用低溫緩慢升溫?zé)Y(jié)，溫度低于5000C ;終燒結(jié)階段采用高溫?zé)Y(jié)，硅基燒結(jié)在1150°C _1190°C，保溫時(shí)間3_5小時(shí)，然后爐冷至室溫；本發(fā)明工藝中，配制的氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿，料漿的組合為氧化鋁粉與鋁溶膠或氧化釔與氧化釔溶膠或氧化鋯與鋯溶膠組成，粉液質(zhì)量比為(1-2): 1，粉的粒徑為IOOnm-1OOOnm,溶膠中粒子尺寸為5_20nm ；本發(fā)明工藝中，內(nèi)層陶瓷型芯在負(fù)壓條件下進(jìn)行氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿浸泡，壓力為 0.01-0.05MPa ；本發(fā)明工藝中，內(nèi)層陶瓷型芯浸泡氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿后，需在22_24°C相對(duì)濕度50% - 70%條件下干燥4-12小時(shí)，然后將陶瓷型芯進(jìn)行再浸泡及再干燥，重復(fù)該過(guò)程2-5次，外層厚度控制在0.05-2mm ;最后將該陶瓷型芯在1300°C _1550°C燒結(jié)20-120分鐘，隨爐冷卻；本發(fā)明工藝中，陶瓷型芯燒結(jié)后，將陶瓷型芯浸入熱固性酚醛樹(shù)脂中或尿素中，取出在空氣中干燥。本發(fā)明的有益效果在于:采用本發(fā)明的制備方法制備的復(fù)合陶瓷型芯，在1500-1580 °C的高溫環(huán)境下具有12-25MPa的較高強(qiáng)度，較高的抗變形能力(撓度為
0.5-1.8mm)，同時(shí)陶瓷型芯有34-37%合適的致密度，利于陶瓷型芯的脫除。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例一制備的復(fù)合陶瓷型芯的外觀圖。圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例二制備的復(fù)合陶瓷型芯的外觀圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一將石蠟熔化并加入1%的聚乙烯，不斷攪拌，升溫至130°C，直至聚乙烯完全溶解到石蠟中，逐漸加入熱粉料，粉料與增塑劑的質(zhì)量比為85: 15，粉料為粗石英粉與細(xì)石英粉，二者的質(zhì)量配比為30: 70，邊加入陶瓷粉料邊攪拌，攪拌同時(shí)還要加入總質(zhì)量1.0%的表面活性劑油酸，攪拌時(shí)間6小時(shí)；待增塑劑、粉料、表面活性劑混合均勻后，溫度保持在120°C之間。采用注射法壓制陶瓷型芯，成型壓力為0.4MPa，注射時(shí)間為20秒，保壓時(shí)間為60秒；將陶瓷型芯裝入填料中，填料采用三氧化二鋁粉末，粒度為200目工業(yè)用氧化鋁粉；陶瓷型芯脫蠟階段采用低溫緩慢升溫?zé)Y(jié)，升溫速度為5°C /分鐘，升至500°C時(shí)保溫I小時(shí)；終燒溫度1150°C，時(shí)間4小時(shí)。配制氧化鋁料漿，料漿的組成為氧化鋁粉與鋁溶膠溶液組成，粉液質(zhì)量比為1: 1，氧化鋁粉的粒徑為200nm，溶膠中粒子尺寸為IOnm;將內(nèi)層陶瓷型芯在0.0lMPa條件下氧化鋁料漿中浸泡20分鐘，然后取出陶瓷型芯在24°C相對(duì)濕度70%條件下干燥4小時(shí)，重復(fù)該工藝過(guò)程4次，然后將該陶瓷型芯在1450°C燒結(jié)20分鐘，隨爐冷卻；最后，將陶瓷型芯浸入熱固性酚醛樹(shù)脂中或尿素中，取出在空氣中干燥。制備的陶瓷型芯見(jiàn)圖1，從圖1可以看出本發(fā)明實(shí)施例一制備的復(fù)合陶瓷型芯具有典型的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)；同時(shí)具有優(yōu)良的綜合性能，經(jīng)檢測(cè)1500°C高溫抗彎強(qiáng)度可達(dá)到15MPa，撓度值可達(dá)到0.8mm ;而傳統(tǒng)制備工藝中采用硅基制備的陶瓷型芯其1500°C高溫抗彎強(qiáng)度只達(dá)到7MPa，撓度值已達(dá)到1.8mm。實(shí)施例二將石蠟熔化并加入1%的聚乙烯，不斷攪拌，升溫至130°C，直至聚乙烯完全溶解到石蠟中，逐漸加入熱粉料，粉料與增塑劑的質(zhì)量比為85: 15，粉料為粗石英粉與細(xì)石英粉，二者的質(zhì)量配比為30: 70，邊加入陶瓷粉料邊攪拌，攪拌同時(shí)還要加入總質(zhì)量1.0%的表面活性劑油酸，攪拌時(shí)間6小時(shí)；待增塑劑、粉料、表面活性劑混合均勻后，溫度保持在120°C之間。采用注射法壓制陶瓷型芯，成型壓力為0.4MPa，注射時(shí)間為20秒，保壓時(shí)間為60秒；將陶瓷型芯裝入填料中，填料采用三氧化二鋁粉末，粒度為200目工業(yè)用氧化鋁粉；陶瓷型芯脫蠟階段采用低溫緩慢升溫?zé)Y(jié)，升溫速度為5°C /分鐘，升至500°C時(shí)保溫I小時(shí)；終燒溫度1150°C，時(shí)間4小時(shí)。配制氧化鋯料漿，料漿的組成為氧化鋯粉與鋯溶膠溶液組成，粉液質(zhì)量比為1: 1，氧化鋯粉的粒徑為200nm，溶膠中粒子尺寸為IOnm;將內(nèi)層陶瓷型芯在0.0lMPa條件下氧化鋯料漿中浸泡20分鐘，然后取出陶瓷型芯在24°C相對(duì)濕度70%條件下干燥4小時(shí)，重復(fù)該工藝過(guò)程4次，然后將該陶瓷型芯在1390°C燒結(jié)40分鐘，隨爐冷卻；最后，將陶瓷型芯浸入熱固性酚醛樹(shù)脂中或尿素中，取出在空氣中干燥。圖2是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例二制備的復(fù)合陶瓷型芯的外觀圖，從圖中可以看出復(fù)合陶瓷型芯具有典型的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的綜合性能，1550°C高溫抗彎強(qiáng)度可達(dá)到12MPa，撓度值可達(dá)到1.2mm ;而傳統(tǒng)制備工藝中采用硅基制備的陶瓷型芯其1550°C高溫抗彎強(qiáng)度只達(dá)到3MPa，撓度值已達(dá)到3.2mm。實(shí)施例三將石蠟熔化并加入1%的聚乙烯，不斷攪拌，升溫至130°C，直至聚乙烯完全溶解到石蠟中，逐漸加入熱粉料，粉料與增塑劑的質(zhì)量比為85: 15，粉料為粗石英粉與細(xì)石英粉，二者的質(zhì)量配比為30: 70，邊加入陶瓷粉料邊攪拌，攪拌同時(shí)還要加入總質(zhì)量1.0%的表面活性劑油酸，攪拌時(shí)間6小時(shí)；待增塑劑、粉料、表面活性劑混合均勻后，溫度保持在120°C之間。采用注射法壓制陶瓷型芯，成型壓力為0.4MPa，注射時(shí)間為20秒，保壓時(shí)間為60秒；將陶瓷型芯裝入填料中，填料采用三氧化二鋁粉末，粒度為200目工業(yè)用氧化鋁粉；陶瓷型芯脫蠟階段采用低溫緩慢升溫?zé)Y(jié)，升溫速度為5°C /分鐘，升至500°C時(shí)保溫I小時(shí)；終燒溫度1150°C，時(shí)間4小時(shí)。配制氧化釔料漿，料漿的組成為氧化釔粉與釔溶膠溶液組成，粉液質(zhì)量比為1: 1，氧化釔粉的粒徑為200nm，溶膠中粒子尺寸為IOnm;將內(nèi)層陶瓷型芯在0.0lMPa條件下氧化釔料漿中浸泡20分鐘，然后取出陶瓷型芯在24°C相對(duì)濕度70%條件下干燥4小時(shí)，重復(fù)該工藝過(guò)程5次，然后將該陶瓷型芯在1400°C燒結(jié)30分鐘，隨爐冷卻；最后，將陶瓷型芯浸入熱固性酚醛樹(shù)脂中或尿素中，取出在空氣中干燥。實(shí)施例三制備的復(fù)合陶瓷型芯具有典型的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的綜合性能，1500°C高溫抗彎強(qiáng)度可達(dá)到1810^，撓度值可達(dá)到0.9!11111。而采用硅基制備的陶瓷型芯其1500°C高溫抗彎強(qiáng)度只達(dá)到7MPa，撓度值已達(dá)到1.8mm。綜上所述，采用本發(fā)明的制備方法制備的復(fù)合陶瓷型芯，在1500-1580°C的高溫環(huán)境下具有12-25MPa的較高強(qiáng)度，較高的抗變形能力(撓度為0.5-1.8mm)，同時(shí)陶瓷型芯有34-37%合適的致密度，利于陶瓷型芯的脫除，滿足了高效冷卻制備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的需要。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的申請(qǐng)范圍；凡其他未脫離本發(fā)明所揭示的實(shí)質(zhì)下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在下述的權(quán)利要求書范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合陶瓷型芯制備方法，所述復(fù)合陶瓷型芯的內(nèi)層為二氧化硅基材料，外層為氧化鋁基或氧化釔基或氧化鋯基材料；其特征在于:所述復(fù)合陶瓷型芯制備方法包括如下步驟: (1)制備增塑劑:將石蠟熔化后加入聚乙烯，不斷攪拌，升溫至120°c-160°c，直至聚乙烯完全溶解到石蠟中，攪拌均勻后進(jìn)行過(guò)濾； (2)制備二氧化硅料漿:將所述增塑劑熔化，逐漸加入二氧化硅熱粉料，邊加入邊攪拌，攪拌同時(shí)加入0.5% -1.0%的表面活性劑，攪拌時(shí)間2-8小時(shí)； (3)內(nèi)層陶瓷型芯成型:將所述二氧化硅料漿溫度控制在100-140°C，采用注射成型方式進(jìn)行成型； (4)焙燒(脫除增塑劑)； (5)配制陶瓷型芯外層料漿； (6)浸泡、干燥:在0.01-0.05MPa負(fù)壓條件下將內(nèi)層陶瓷型芯浸泡在外層料漿中2_6小時(shí)，然后在空氣中干燥； (7)燒結(jié):將干燥后的陶瓷型芯進(jìn)行再燒結(jié)，終燒溫度為1350-1550°C，時(shí)間20-60分鐘，最后制得復(fù)合陶瓷型芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，其特征在于:所述步驟一增塑劑中的石蠟質(zhì)量百分比為80-95%，聚乙烯質(zhì)量百分比為2-5%，其余為蜂蠟或硬脂酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，其特征在于:所述步驟二中的表面活性劑為油酸或其他脂 肪醇類物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，其特征在于:所述注射成型的成型壓力為0.4-0.8MPa，注射時(shí)間為20-120秒，保壓時(shí)間為20-120秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，其特征在于:所述焙燒(脫除增塑齊U)步驟中，將所述內(nèi)層陶瓷型芯裝入三氧化二鋁粉末，粒度為100-300目工業(yè)用氧化鋁粉中進(jìn)行焙燒，終燒溫度為1150-1190°C，時(shí)間3-5小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，其特征在于:所述配制陶瓷型芯外層料漿，為配制氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿，料漿的組合為氧化鋁粉與鋁溶膠或氧化釔粉與氧化釔溶膠或氧化鋯粉與氧化鋯溶膠組成，粉液質(zhì)量比為(1-2): 1，粉的粒徑為IOOnm-1OOOnm,溶膠中粒子尺寸為5_20nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，其特征在于:內(nèi)層陶瓷型芯浸泡氧化鋁或氧化釔或氧化鋯料漿后，需在22-24°C相對(duì)濕度50% -70%條件下干燥4-12小時(shí)，然后將陶瓷型芯進(jìn)行再浸泡及再干燥，重復(fù)該過(guò)程2-5次，外層料漿厚度控制在0.05-lmm ;最后將該陶瓷型芯在1300°C -1550°C燒結(jié)20-120分鐘，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)合陶瓷型芯制備方法，所述復(fù)合陶瓷型芯內(nèi)層為二氧化硅基材料，外層為氧化鋁基或氧化釔基陶瓷材料；本發(fā)明復(fù)合陶瓷型芯的制備主要包括步驟料漿配制、成型、焙燒、浸泡、干燥、燒結(jié)等；采用本發(fā)明所述的復(fù)合陶瓷型芯制備方法，制備了具有高強(qiáng)度且易脫除的復(fù)合陶瓷型芯，滿足了高效冷卻制備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的需要。
文檔編號(hào)C04B35/622GK103242036SQ201210032969
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者姜衛(wèi)國(guó), 張健, 韓汾汾, 王莉, 郝紅全, 劉濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所