CN104788085A - 一种改进的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法。本发明涉及一种陶瓷型芯及其制备方法。本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成收缩率大、高温性能差的问题，由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料按质量份数由石英玻璃粉、锆英粉和刚玉混合而成；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成。方法：一、配置增塑剂；二、配置陶瓷浆料；三、制备预制料；四、制备改进的氧化硅陶瓷型芯。本发明的改进的氧化硅陶瓷型芯其未强化的高温强度高达18.614MPa，远高于已有氧化硅陶瓷型芯的强度，强度提高了65.7％，同时具有低的高温挠度，1350℃高温挠度为0mm，1550℃高温挠度为2.57mm。本发明用于制备一种改进的氧化硅陶瓷型芯。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷型芯及其制备方法。
背景技术
我国航空航天事业处于高速发展中，航空燃气涡轮发动机性能的提高是关键。为此，首先是要提高涡轮的燃气温度，它决定了动力装置有效功率的真正意义上的提高，采用铸造高温合金制成形状复杂的空心叶片能够提高涡轮前温度，但因为金属熔点的制约，在合金材料上提高叶片的承温性能目前已很难实施。因此，生产者只能不断改善叶片的气冷结构、提高冷却效率来达到预期效果。
空心气冷叶片是一项提高发动机涡轮前温度的重要技术。空心叶片熔模铸造的重点是先制出有叶片复杂内腔的陶芯。当前，叶片的冷却结构有所改变，传统方式是对流、回流、撞击孔、气膜冷却等，现在则为高效发散气冷方式，冷却效率已由300℃左右提高到600℃以上。所以，陶瓷型芯的制造工艺发展趋势为形状更复杂、最小尺寸更小、高温性能更高。
陶瓷型芯的性能是决定叶片质量的关键因素之一，以致多年以来发达国家对于陶瓷型芯的研究一直没有停止过，并且将其核心技术视为高度机密。陶瓷型芯制造技术决定了空心叶片的尺寸精度、合格率和铸造成本，因此，不断改进陶瓷型芯材料性能和制造技术十分重要。
发明内容
本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成收缩率大、高温性能差的问题，而提供一种改进的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法。
本发明的一种改进的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:(10～20)；所述的陶瓷浆料按质量份数由60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉和5～15份刚玉混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(2～3):1；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4):1；其中所述的刚玉为200目的刚玉；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22):1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48):1。
本发明的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22):1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48):1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉和5～15份刚玉搅拌均匀后放在保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(2～3):1；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4):1；所述的刚玉为200目的刚玉；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为60g/min～120g/min，在搅拌速度为50r/min～70r/min下搅拌4h～8h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:(16～20)；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
本发明的有益效果：
本发明产品的优点是通过新的成分配比，即添加刚玉微粉，利用氧化铝陶瓷型芯的高温强度和热稳定性好，在焙烧过程中不会发生晶型的转变，冶金化学稳定性好，与型壳具有匹配的线膨胀系数等优点，改善硅基陶瓷型芯的高温性能，同时又不存在铝基型芯脱芯困难的问题。近些年来陶瓷型芯向着形状更复杂，尺寸更大，性能更高的方向发展，这主要由于航空航天事业对叶片的要求越来越高。由于陶瓷型芯的性能是决定叶片成品率和成品质量的关键因素，因此其自身的性能，对生产出叶片的精度和质量及其重要。通过实验测试，本发明的改进的氧化硅陶瓷型芯其未强化的高温强度高达18.614MPa，远高于已有氧化硅陶瓷型芯的强度，强度提高了65.7％，同时具有低的高温挠度，1350℃高温挠度为0mm，1550℃高温挠度为2.57mm，方法操作简单，缩短实验时间。本发明方法的优点是制备过程及操作简单，浆料有很好的流动性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，缩短实验时间。
附图说明
图1为实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯断口5000倍SEM图像；
图2为实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯和现有陶瓷型芯室温抗弯强度柱形图；其中a为现有陶瓷型芯，b为实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯；
图3为采用实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯生产出的叶片照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种改进的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:(10～20)；所述的陶瓷浆料按质量份数由60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉和5～15份刚玉混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(2～3):1；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4):1；其中所述的刚玉为200目的刚玉；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22):1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48):1。
本实施方式产品的优点是通过新的成分配比，即添加刚玉微粉，利用氧化铝陶瓷型芯的高温强度和热稳定性好，在焙烧过程中不会发生晶型的转变，冶金化学稳定性好，与型壳具有匹配的线膨胀系数等优点，改善硅基陶瓷型芯的高温性能，同时又不存在铝基型芯脱芯困难的问题。近些年来陶瓷型芯向着形状更复杂，尺寸更大，性能更高的方向发展，这主要由于航空航天事业对叶片的要求越来越高。由于陶瓷型芯的性能是决定叶片成品率和成品质量的关键因素，因此其自身的性能，对生产出叶片的精度和质量及其重要。通过实验测试，本发明的改进的氧化硅陶瓷型芯其未强化的高温强度高达18.614MPa，远高于已有氧化硅陶瓷型芯的强度，强度提高了65.7％，同时具有低的高温挠度，1350℃高温挠度为0mm，1550℃高温挠度为2.57mm，方法操作简单，缩短实验时间。
具体实施方式二：本实施方式的与具体实施方式一不同的是：所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:18。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的陶瓷浆料按质量份数由70份石英玻璃粉、25份锆英粉和5份刚玉混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22):1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48):1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉和5～15份刚玉搅拌均匀后放在保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(2～3):1；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4):1；所述的刚玉为200目的刚玉；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为60g/min～120g/min，在搅拌速度为50r/min～70r/min下搅拌4h～8h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:(16～20)；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
本发明方法的优点是制备过程及操作简单，浆料有很好的流动性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，缩短实验时间。改进的氧化硅陶瓷型芯其未强化的高温强度高达18.614MPa，远高于已有氧化硅陶瓷型芯的强度，强度提高了65.7％，同时具有低的高温挠度，1350℃高温挠度为0mm，1550℃高温挠度为2.57mm。
本实施方式方法的优点是制备过程及操作简单，浆料有很好的流动性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，缩短实验时间。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤一中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。其它步骤与参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤二中按质量份数将70份石英玻璃粉、25份锆英粉和5份刚玉搅拌均匀后放在保温箱中在温度为100℃的条件下保温2h，得到陶瓷浆料。其它步骤与参数与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：步骤二中其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2；其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1。其它步骤与参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤三中加入速度为90g/min，在搅拌速度为60r/min下搅拌6h，得到预制料。其它步骤与参数与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：步骤三中所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:18。其它步骤与参数与具体实施方式五至九之一相同。
用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一、一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将70份石英玻璃粉、25份锆英粉和5份刚玉搅拌均匀后放在保温箱中在温度为100℃的条件下保温2h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1；所述的刚玉为200目的刚玉；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为70g/min，在搅拌速度为60r/min下搅拌6h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:18；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为100℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
采用Helios Nanolab600i扫描电镜对实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯断口进行扫描，得到5000倍下的SEM图像，如图1所示。从图1可以看出实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯断口处大颗粒堆积紧密，同时又弥散着一些白色的微小颗粒这种断口形态对提高陶瓷型芯的收缩和高温性能有很大的帮助。
将实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯与现有陶瓷型芯进行抗弯强度测试，得到如图2所示的柱形图，其中a为现有陶瓷型芯，b为实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯。从图2中可以看出，实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯的抗弯强度明显高于现有陶瓷型芯。
将采用实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯生产叶片陶瓷型芯，得到图3所示照片。说明实施例一得到的改进的氧化硅陶瓷型芯满足流动性和高温强度性能要求。
Claims (10)
1.一种改进的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于改进的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:(10～20)；所述的陶瓷浆料按质量份数由60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉和5～15份刚玉混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(2～3):1；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4):1；其中所述的刚玉为200目的刚玉；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22):1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48):1。
2.根据权利要求1所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:18。
3.根据权利要求1所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的陶瓷浆料按质量份数由70份石英玻璃粉、25份锆英粉和5份刚玉混合而成；其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2；其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1。
4.根据权利要求1所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1；其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。
5.一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行：
一、配置增塑剂：将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15～22):1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45～48):1；
二、配置陶瓷浆料：按质量份数将60～70份石英玻璃粉、20～30份锆英粉和5～15份刚玉搅拌均匀后放在保温箱中在温度为80～100℃的条件下保温2h～4h，得到陶瓷浆料；所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4～6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(2～3):1；所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2～4):1；所述的刚玉为200目的刚玉；
三、制备预制料：将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为60g/min～120g/min，在搅拌速度为50r/min～70r/min下搅拌4h～8h，得到预制料；所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:(16～20)；
四、制备氧化硅陶瓷型芯：将压型模具预热至温度为80～100℃，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化硅陶瓷型芯。
6.根据权利要求5所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤一中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1；所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。
7.根据权利要求5所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤二中按质量份数将70份石英玻璃粉、25份锆英粉和5份刚玉搅拌均匀后放在保温箱中在温度为100℃的条件下保温2h，得到陶瓷浆料。
8.根据权利要求5所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤二中其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2；其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1。
9.根据权利要求5所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤三中加入速度为90g/min，在搅拌速度为60r/min下搅拌6h，得到预制料。
10.根据权利要求5所述的一种改进的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于步骤三中所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:18。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150722 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |