CN105418058B - 一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法 - Google Patents

一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法。本发明是向氧化锆中掺杂异价金属氧化物氧化镁作为稳定剂，使ZrO2在室温下保持四方相或立方相，还在型芯浆料配方中加入氧化镁，其纤维状结构在压制型芯湿坯之时可以增大湿态型芯的韧性，降低型芯湿坯起模变形和裂纹，减小型芯修整时的断裂率。本发明不仅适用于形状复杂、薄壁、大型件的陶瓷型芯制备，也适合用于生产等轴、定向涡轮空心叶片用陶瓷型芯的生产，采用本发明方法制成的型芯湿坯韧性好，起模合格率高，变形小，型芯的烧结变形量小。

Description

一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法
技术领域
本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法。
背景技术
随着航空发动机推重比的不断升级，涡轮前进口温度不断提高，对叶片的成文能力要求也越来越高。叶片从实现发展到空心，从多晶发展到单晶，叶片内腔形状也日趋复杂。陶瓷型芯是形成叶片内腔的关键部件，其制造技术已经成为空心冶炼制造的关键技术。日益复杂的叶片内腔结构使陶瓷型芯在研制和生产过程中湿态起模极易断裂和产生应力集中，造成型芯裂纹和变形，型芯的压制合格率不高。复杂结构的陶瓷型芯在烧结过程中，由于起模应力残留，薄厚过度大、悬臂等结构极易引起烧结裂纹和变形。同时为了确保陶瓷型芯的成型性，型芯在压制过程中增接了加强筋，型芯的加强筋在取出过程中易引起型芯裂纹和盈利残留，造成型芯浇注过程中的断裂，因此需研制具有较高韧性、低变形量的陶瓷型芯以适应叶片的研制生产需要。
精密铸造常用的陶瓷型芯有氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝基陶瓷型芯，由于氧化铝基陶瓷型芯脱出困难，应用较少。氧化硅基陶瓷型芯高温性能优良，易于脱出，应用广泛。但是现有技术中以石英玻璃粉作为基体材料制备氧化硅基陶瓷型芯，通常选用氧化锆作为矿化剂。由于氧化锆随温度的提高会伴随相变，引起体积变化，导致陶瓷型芯焙烧和浇注过程中产生裂纹，因此需要减少或消除氧化锆的相变，消除型芯的裂纹。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法，目的是弥补现有陶瓷型芯韧性的不足，降低陶瓷型芯在压制、烧结、修整过程中造成的裂纹和变形，提高陶瓷型芯的制备合格率，满足结构日趋复杂的陶瓷型芯的制备要求。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
（1）按照氧化镁纤维与氧化锆重量比1：（40~45）称取粉料，将粉料放入球磨机中混合0.5h后，放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧条件是以160℃/h的升温速率升温至800℃，于800℃保温1h，再以125℃/h的升温速率升温至1300℃，于1300℃保温2h后随炉冷却至室温出料，出料后放入研磨机中，按重量比1:1加入研磨体，研磨1.5~3h后，过200目筛，得到的粉料作为预制矿化剂备用；
（2）按照重量百分比，270目~360目石英玻璃粉20~50%、600目~800目石英玻璃粉40~55%、预制矿化剂10~20%、2~5%氧化镁纤维进行配料，然后在球磨机中混合1~3h，得到混合粉料；
（3）称取占混合粉料15%~20%的增塑剂，将其在搅料筒中加热熔化，全部熔化后将步骤（2）中的混合粉料加入到搅料筒中，开动搅拌器，搅拌时间＞24h，搅拌温度90℃~110℃，搅拌后静置10min~20min，得到陶瓷型芯浆料，将陶瓷型芯浆料放入型芯压制设备中，压制后的陶瓷型芯湿坯具有高韧性，无起模变形和开裂，烧结后，其高温热变形量≤0.2mm，室温强度达到15±1MPa，高温强度达到12±1MPa，1200℃的热膨胀系数为1.1×10-6 K-1。
其中，所述的氧化镁纤维是直径φ20～50μm、长200～400μm的纤维状氧化镁，其中氧化镁重量含量≥99.5%，方镁石相含量≥95%。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明中的矿化剂选用氧化锆，氧化锆具有熔点高、耐热震、稳定性好等优点，但氧化锆随着温度的升高，结构会由单斜相转变为四方相，再转变到立方相，且相变过程中伴随着体积的明显变化。本发明为解决这一问题，向氧化锆中掺杂异价金属氧化物氧化镁作为稳定剂，使ZrO2在室温下保持四方相或立方相。
同时氧化镁不仅起到矿化剂ZrO2的稳定剂的作用，本发明还在型芯浆料配方中加入氧化镁，其纤维状结构在压制型芯湿坯之时可以增大湿态型芯的韧性，降低型芯湿坯起模变形和裂纹，减小型芯修整时的断裂率。
本发明将制备好的浆料加入到型芯压制设备中，压制的型芯湿坯具有较高的韧性，不易产生起模变形和开裂，同时型芯在高温烧结过程中，由于氧化镁纤维存在，可以降低型芯的烧结温度，减小型芯的烧结变形，并使型芯具有足够的烧结强度。
本发明不仅适用于形状复杂、薄壁、大型件的陶瓷型芯制备，也适合用于生产等轴、定向涡轮空心叶片用陶瓷型芯的生产，采用本发明方法制成的型芯湿坯韧性好，起模合格率高，变形小，型芯的烧结变形量小，高温热变形量≤0.2mm；型芯的室温强度达到15±1MPa，高温强度达到12±1MPa，1200℃的热膨胀系数为1.1×10-6K-1。
附图说明
图1是本发明中的氧化镁纤维与氧化锆球磨混合后的焙烧曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请的技术方案做进一步说明。
实施例1
本实施例的低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法按照以下步骤进行：
（1）按照氧化镁纤维与氧化锆重量比1：40称取粉料，将粉料放入球磨机中混合0.5h后，放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧条件如图1所示，是以160℃/h的升温速率升温至800℃，于800℃保温1h，再以125℃/h的升温速率升温至1300℃，于1300℃保温2h后随炉冷却至室温出料，出料后放入研磨机中，按重量比1:1加入研磨体，研磨1.5h后，过200目筛，得到的粉料作为预制矿化剂备用；
（2）按照重量百分比，270目~360目石英玻璃粉22%、600目~800目石英玻璃粉55%、预制矿化剂20%、3%氧化镁纤维进行配料，然后在球磨机中混合1h，得到混合粉料；
（3）称取占混合粉料18%的增塑剂，将其在搅料筒中加热熔化，全部熔化后将步骤（2）中的混合粉料加入到搅料筒中，开动搅拌器，搅拌时间36h，搅拌温度90℃，搅拌后静置18min，得到陶瓷型芯浆料，将陶瓷型芯浆料放入型芯压制设备中，压制后的陶瓷型芯湿坯具有高韧性，无起模变形和开裂，烧结后，其高温热变形量为0.2mm，室温强度达到15.9MPa，高温强度达到12.1MPa，1200℃的热膨胀系数为1.1×10-6K-1。
实施例2
本实施例的低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法按照以下步骤进行：
（1）按照氧化镁纤维与氧化锆重量比1：45称取粉料，将粉料放入球磨机中混合0.5h后，放入焙烧炉中进行焙烧，如图1所示，焙烧条件是以160℃/h的升温速率升温至800℃，于800℃保温1h，再以125℃/h的升温速率升温至1300℃，于1300℃保温2h后随炉冷却至室温出料，出料后放入研磨机中，按重量比1:1加入研磨体，研磨3h后，过200目筛，得到的粉料作为预制矿化剂备用；
（2）按照重量百分比，270目~360目石英玻璃粉33%、600目~800目石英玻璃粉50%、预制矿化剂15%、2%氧化镁纤维进行配料，然后在球磨机中混合2h，得到混合粉料；
（3）称取占混合粉料20%的增塑剂，将其在搅料筒中加热熔化，全部熔化后将步骤（2）中的混合粉料加入到搅料筒中，开动搅拌器，搅拌时间30h，搅拌温度100℃，搅拌后静置20min，得到陶瓷型芯浆料，将陶瓷型芯浆料放入型芯压制设备中，压制后的陶瓷型芯湿坯具有高韧性，无起模变形和开裂，烧结后，其高温热变形量为0.1mm，室温强度达到14.5MPa，高温强度达到11.2MPa，1200℃的热膨胀系数为1.1×10-6K-1。
实施例3
本实施例的低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法按照以下步骤进行：
（1）按照氧化镁纤维与氧化锆重量比1：42称取粉料，将粉料放入球磨机中混合0.5h后，放入焙烧炉中进行焙烧，如图1所示，焙烧条件是以160℃/h的升温速率升温至800℃，于800℃保温1h，再以125℃/h的升温速率升温至1300℃，于1300℃保温2h后随炉冷却至室温出料，出料后放入研磨机中，按重量比1:1加入研磨体，研磨2h后，过200目筛，得到的粉料作为预制矿化剂备用；
（2）按照重量百分比，270目~360目石英玻璃粉45%、600目~800目石英玻璃粉40%、预制矿化剂10%、5%氧化镁纤维进行配料，然后在球磨机中混合3h，得到混合粉料；
（3）称取占混合粉料15%的增塑剂，将其在搅料筒中加热熔化，全部熔化后将步骤（2）中的混合粉料加入到搅料筒中，开动搅拌器，搅拌时间25h，搅拌温度110℃，搅拌后静置10min，得到陶瓷型芯浆料，将陶瓷型芯浆料放入型芯压制设备中，压制后的陶瓷型芯湿坯具有高韧性，无起模变形和开裂，烧结后，其高温热变形量为0.17mm，室温强度达到15.6MPa，高温强度达到12.6MPa，1200℃的热膨胀系数为1.1×10-6K-1。

Claims (1)

1.一种低变形增韧硅基陶瓷型芯的制作方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)按照氧化镁纤维与氧化锆重量比1∶(40～45)称取粉料，将粉料放入球磨机中混合0.5h后，放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧条件是以160℃/h的升温速率升温至800℃，于800℃保温1h，再以125℃/h的升温速率升温至1300℃，于1300℃保温2h后随炉冷却至室温出料，出料后放入研磨机中，按重量比1∶1加入研磨体，研磨1.5～3h后，过200目筛，得到的粉料作为预制矿化剂备用；
(2)按照重量百分比，270目～360目石英玻璃粉20～50％、600目～800目石英玻璃粉40～55％、预制矿化剂10～20％、2～5％氧化镁纤维进行配料，然后在球磨机中混合1～3h，得到混合粉料；
(3)称取占混合粉料15％～20％的增塑剂，将其在搅料筒中加热熔化，全部熔化后将步骤(2)中的混合粉料加入到搅料筒中，开动搅拌器，搅拌时间＞24h，搅拌温度90℃～110℃，搅拌后静置10min～20min，得到陶瓷型芯浆料，将陶瓷型芯浆料放入型芯压制设备中，压制后的陶瓷型芯湿坯具有高韧性，无起模变形和开裂，烧结后，其高温热变形量≤0.2mm，室温强度达到15±1MPa，高温强度达到12±1MPa，1200℃的热膨胀系数为1.1×10-6K-1；
其中，所述的氧化镁纤维是直径φ20～50μm、长200～400μm的纤维状氧化镁，其中氧化镁重量含量≥99.5％，方镁石相含量≥95％。
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