CN102815940A - 用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，所述陶瓷型芯的原料组分及其质量百分比含量为30~50wt%的氧化钙粉与50~70wt%的氧化锆粉，外加12~14wt%增塑剂，增塑剂的原料组分及其质量百分比含量为蜂蜡5~10wt%，聚乙烯﹥0且≤3wt%，其余为石蜡。通过混料、制备型芯浆料、压铸型芯和型芯焙烧工艺制备而成。本发明所制备的陶瓷型芯可承受2000℃的高温而不发生变形，具有良好的高温化学惰性，适用于超高温合金如铌硅基合金的熔模铸造。该陶瓷型芯采用沸水蒸煮的方法在1~4h内即可将型芯快速脱除。
Description
技术领域
本发明是关于熔模精密铸造的，特别涉及一种用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯及其制备方法。
背景技术
陶瓷型芯作为形成精铸件空心内腔结构的转接件，其作用是：形成精铸件的内腔形状，并与外形模及模壳共同保证精铸件壁厚的尺寸精度。铸件浇铸完成后，通过机械或化学溶蚀将陶瓷型芯从铸件中清除。随着航空发动机推重比的提高，新一代的航空发动机的涡轮前进口温度将达到1800~2050℃，现有的镍基、钴基高温合金的使用温度已基本达到极限，无法达到使用要求。新型的超高温合金材料如铌硅基合金，其熔点将超过1800℃，铌硅基合金空心叶片用型芯的承温能力也将超过2000℃。然而目前较常使用的陶瓷型芯是氧化硅基和氧化铝基陶瓷型芯，其最高使用温度可以达到1650℃。目前用于高温结构材料熔模铸造的型芯承温能力也大多不超过1700℃。此外，随着氧化硅型芯内腔通道的复杂化，硅基陶瓷型芯的脱芯非常困难，脱芯周期较长，需要反复经过碱液蒸煮才能将型芯脱除，对叶片的腐蚀很大，严重影响了铸件的尺寸精确度。
专利CN1994964A报导了一种采用氧化铝空心球制备的氧化铝陶瓷型芯，该型芯的使用温度为1550℃左右，由于型芯的机体材料中加入空心球粉后降低了型芯的体积密度，从而大大提高了型芯的可溶蚀性，但由于氧化铝在常温和加热条件下几乎不与浓酸浓碱反应，因此很难脱除。专利CN102079653A报导了一种航空发动机叶片用硅基陶瓷型芯的制备方法，该方法采用三种不同粒径的高纯二氧化硅粉为原料，通过热压铸成型制备复杂陶瓷型芯，该陶瓷型芯可满足≥1550℃的高温下使用，但使用温度也不超过1700℃，无法满足铌硅基合金熔模铸造中对型芯较高的承温能力的要求，而且该陶瓷型芯需要通过碱液蒸煮的方式才能脱除，对叶片有一定的腐蚀性。
发明内容
本发明的目的，是提供一种用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯及其制备方法，该氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯可以承受2000℃的高温，具有优良的高温性能、化学稳定性和溶蚀性，可满足铌硅基合金熔模铸造的使用。
本发明通过如下技术方案予以实现，具有以下步骤：
一种用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，原料组分及其质量百分比含量为30~50wt%氧化钙粉＋50~70wt%氧化锆粉。
上述用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯的制备方法，具有以下步骤：
（1）混料
按质量百分比称取30~50wt%的氧化钙粉与50~70wt%的氧化锆粉，于混料机中混合2~4h；
（2）型芯浆料的制备
先将由石蜡、蜂蜡及聚乙烯组成的增塑剂加入到搅拌机中，增塑剂中蜂蜡占增塑剂总量的质量百分比为5%~10%，聚乙烯占增塑剂总量的质量百分比为3%以内，余量为石蜡；增塑剂的质量占步骤（1）的混合粉料质量的12~14%；并将搅拌机的温度调节在120±10℃，待增塑剂全部熔化并混合均匀后逐渐缓慢地加入步骤（1）的混合粉料，待混合粉料全部加入后再搅拌10~40h，得到混合浆料，待混合浆料冷却后得到料饼，备用；
（3）压铸型芯
压铸前将步骤（2）的料饼于110±10℃温度下熔化，并于该温度下保温待用，将模具于35±5℃预热，采用热压铸法压制陶瓷型芯坯体；
（4）型芯焙烧
将步骤（3）的型芯坯体放于工业煅烧氧化铝中埋烧，按以下升温步骤进行排蜡与培烧，在1~2h内从室温升至100℃，保温0.5~1h；在2~3h内从100℃升温至220℃，保温2~4h；在4~6h内从220℃升温至600℃，保温1~2h；在1.5~2h内从600℃升温至900℃，保温0.5~1h；在5~6h内从900℃升温至1300~1500℃，保温6~10h；然后随炉冷却到室温，制得陶瓷型芯烧结体。
所述制备方法步骤（1）的氧化钙粉和氧化锆粉的粒度为325目。
所述制备方法步骤（2）的搅拌机的转速为80~120r/min。
所述制备方法步骤（3）热压铸法压制陶瓷型芯坯体的压铸压力为0.8~2.0MPa，注射时间为15~30s，保压时间为10~30s。
该陶瓷型芯在铌硅基合金熔模铸造过程中，采用沸水蒸煮的方法1~4h内就可以将型芯彻底脱除。
本发明的有益效果是，提供了一种用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯及其制备方法，该陶瓷型芯可承受2000℃的高温而不发生变形且具有良好的高温化学惰性，同时，由于氧化钙成分的存在，氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯具有优良的溶蚀性。该陶瓷型芯在铌硅基合金熔模铸造过程中，采用沸水蒸煮的方法在1~4h内即可将型芯快速脱除，适用于超高温合金如铌硅基合金的熔模浇铸。
具体实施方式
本发明的氧化钙粉及氧化锆粉采用纯度为大于99.95%的原料，具体实施例如下。
实施例1
（1）混料
按30wt%氧化钙粉与70wt%氧化锆粉的比例称取325目的氧化钙粉和氧化锆粉，在V型混料机上混合2h。
（2）型芯浆料的制备
先将92wt%的石蜡、5wt%的蜂蜡与3wt%的聚乙烯组成的增塑剂加入到搅拌机中，该增塑剂的质量占步骤（1）的混合粉料质量的12%；将搅拌机的温度调节在110℃，搅拌机的转速为80r/min，待增塑剂全部熔化并混合均匀后逐渐缓慢加入步骤（1）的混合粉料，待混合粉料全部加入后再搅拌10h，得到混合浆料，将混合浆料冷却后得到料饼，备用。
（3）压铸型芯
压铸前将步骤（2）的料饼在105℃的温度下熔化并于该温度下保温待用，将模具在35℃预热，采用热压铸法压制陶瓷型芯坯体，压铸压力为1.5MPa，注射时间为15s，保压时间为20s。
（4）型芯焙烧
将步骤（3）的型芯坯体放于工业煅烧氧化铝中埋烧。按以下升温步骤进行排蜡与培烧，在2h内从室温升温到100℃，保温1h；在2.5h内从100℃升温到220℃，保温2h；在4h内从220℃升温到600℃，保温2h；在2h内从600℃升温到900℃，保温1h；在6.5h内从900℃升温到1500℃，保温6h，然后随炉冷却到室温，制得陶瓷型芯烧结体。
该陶瓷型芯，在铌硅基合金熔模铸造过程中，采用沸水蒸煮的方法1.5h内就可以将型芯彻底脱除。
实施例2
（1）混料
按40wt%氧化钙粉与60wt%氧化锆粉的比例称取325目的氧化钙粉和氧化锆粉，在V型混料机上混合4h。
（2）型芯浆料的制备
先将88wt%的石蜡、10wt%的蜂蜡与2wt%的聚乙烯组成的增塑剂加入到搅拌机中，该增塑剂的质量占步骤（1）的混合粉料质量的12%；将搅拌机的温度调节在110℃，搅拌机的转速为100r/min，待增塑剂全部熔化并混合均匀后逐渐缓慢加入步骤（1）的混合粉料，待混合粉料全部加入后再搅拌30h，得到混合浆料。将混合浆料冷却后得到料饼备用。
（3）压铸型芯
压铸前在105℃的温度下熔化料饼并于该温度下保温待用，将模具在40℃预热，采用热压铸法压制陶瓷型芯坯体，压铸压力为2.0MPa，注射时间为20s，保压时间为30s，压铸成型芯坯体。
（4）型芯焙烧
将步骤（3）的型芯坯体放于工业煅烧氧化铝中埋烧。按以下升温步骤进行排蜡与培烧，在2h内从室温升温到100℃，保温1h；在2.5h内从100℃升温到220℃，保温2h；在4h内从220℃升温到600℃，保温2h；在2h内从600℃升温到900℃，保温1h；在6h内从900℃升温到1400℃，保温8h，然后随炉冷却到室温，得到陶瓷型芯烧结体。
该陶瓷型芯，在铌硅基合金熔模铸造过程中，采用沸水蒸煮的方法3h内就可以将型芯彻底脱除。
实施例3
（1）混料
按50wt%氧化钙粉与50wt%氧化锆粉的比例称取325目的氧化钙粉和氧化锆粉，在V型混料机上混合3h。
（2）型芯浆料的制备
先将90wt%的石蜡、8wt%的蜂蜡与2wt%聚乙烯组成的增塑剂加入到搅拌机中，该增塑剂的质量占步骤（1）的混合粉料质量的14%，并将搅拌机的温度调节在110℃，搅拌机的转速为120r/min，待增塑剂全部熔化并混合均匀后逐渐缓慢加入步骤（1）的混合粉料，待混合粉料全部加入后再搅拌30h，得到混合浆料。将混合浆料冷却后得到料饼备用。
（3）压铸型芯
压铸前在110℃的温度下熔化料饼并于该温度下保温待用，将模具在40℃预热，采用热压铸法压制陶瓷型芯坯体，压铸压力为1.0MPa，注射时间为30s，保压时间为10s，压铸成型芯坯体。
（4）型芯焙烧
将步骤（3）的型芯坯体放于工业煅烧氧化铝中埋烧。按以下升温步骤进行排蜡与培烧，在2h内从室温升温到100℃，保温1h；在2.5h内从100℃升温到220℃，保温2h；在4h内从220℃升温到600℃，保温2h；在2h内从600℃升温到900℃，保温1h；在6h内从900℃升温到1350℃，保温6h，然后随炉冷却到室温，得到陶瓷型芯烧结体。
该陶瓷型芯，在铌硅基合金熔模铸造过程中，采用沸水蒸煮的方法4h内就可以将型芯彻底脱除。
Claims (5)
1.一种用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，原料组分及其质量百分比含量为30~50wt%氧化钙粉＋50~70wt%氧化锆粉。
上述用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯的制备方法，具有以下步骤：
（1）混料
按质量百分比称取30~50wt%的氧化钙粉与50~70wt%的氧化锆粉，于混料机中混合2~4h；
（2）型芯浆料的制备
先将由石蜡、蜂蜡及聚乙烯组成的增塑剂加入到搅拌机中，增塑剂中蜂蜡占增塑剂总量的质量百分比为5%~10%，聚乙烯占增塑剂总量的质量百分比为3%以内，余量为石蜡；增塑剂的质量占步骤（1）的混合粉料质量的12~14%；并将搅拌机的温度调节在120±10℃，待增塑剂全部熔化并混合均匀后逐渐缓慢地加入步骤（1）的混合粉料，待混合粉料全部加入后再搅拌10~40h，得到混合浆料，待混合浆料冷却后得到料饼，备用；
（3）压铸型芯
压铸前将步骤（2）的料饼于110±10℃温度下熔化，并于该温度下保温待用，将模具于35±5℃预热，采用热压铸法压制陶瓷型芯坯体；
（4）型芯焙烧
将步骤（3）的型芯坯体放于工业煅烧氧化铝中埋烧，按以下升温步骤进行排蜡与培烧，在1~2h内从室温升至100℃，保温0.5~1h；在2~3h内从100℃升温至220℃，保温2~4h；在4~6h内从220℃升温至600℃，保温1~2h；在1.5~2h内从600℃升温至900℃，保温0.5~1h；在5~6h内从900℃升温至1300~1500℃，保温6~10h；然后随炉冷却到室温，制得陶瓷型芯烧结体。
2.根据权利要求1的用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，其特征在于，所述制备方法步骤（1）的氧化钙粉和氧化锆粉的粒度为325目。
3.根据权利要求1的用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，其特征在于，所述制备方法步骤（2）的搅拌机的转速为80~120r/min。
4.根据权利要求1的用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，其特征在于，所述制备方法步骤（3）热压铸法压制陶瓷型芯坯体的压铸压力为0.8~2.0MPa，注射时间为15~30s，保压时间为10~30s。
5.根据权利要求1的用于铌硅基合金熔模铸造的氧化钙与氧化锆复合陶瓷型芯，其特征在于，该陶瓷型芯在铌硅基合金熔模铸造过程中，采用沸水蒸煮的方法1~4h内就可以将型芯彻底脱除。
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