專利名稱：一種添加方石英的硅基陶瓷型芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種添加方石英的硅基陶瓷型芯，特別是指一種添加方石英的定向空心渦輪葉片用硅基陶瓷型芯；屬于精密鑄造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅基陶瓷型芯具有膨脹系數(shù)小、優(yōu)良的抗急冷急熱能力、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好和脫芯方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在空心渦輪葉片制造領(lǐng)域。硅基陶瓷型芯以石英玻璃為基體材料，一般添加氧化鋁、莫來石和鋯英石等作為礦化劑，通過選擇合適的燒結(jié)溫度來控制陶瓷型芯燒成后方石英的含量，以提高型芯的性能。該類陶瓷型芯在澆注溫度較低的等軸晶葉片時(shí)成品率較高，但在定向及單晶凝固(澆注溫度超過1500°C)時(shí)，時(shí)常產(chǎn)生嚴(yán)重變形甚至斷裂，導(dǎo)致葉片的澆注成品率很低。硅基陶瓷型芯在燒成后必須含有一定量的方石英，作為在合金液澆注時(shí)石英玻璃的析晶晶核，促進(jìn)石英玻璃的析晶?，F(xiàn)有的硅基陶瓷型芯由于燒成后方石英含量較少，造成在合金液澆注前型芯中方石英的轉(zhuǎn)變量不足，以致抗蠕變性能較差，陶瓷型芯在金屬液的作用下發(fā)生軟化變形。提高燒結(jié)溫度能增加陶瓷型芯燒成后方石英的含量，但同時(shí)也帶來了其他問題，如陶瓷型芯收縮率增大、氣孔率降低等問題。陶瓷型芯收縮率過大，會(huì)降低葉片內(nèi)腔的尺寸精度；而氣孔率降低會(huì)惡化陶瓷型芯的脫芯性能。因此，現(xiàn)有的硅基陶瓷型芯無法滿足葉片定向澆注的要求，成為制約空心渦輪葉片發(fā)展的技術(shù)瓶頸，需要研究開發(fā)性能優(yōu)異的硅基陶瓷型芯。目前，國內(nèi)外對(duì)通過預(yù)先添加方石英提高陶瓷型芯的抗高溫蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性的研究尚未見諸報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種通過對(duì)陶瓷型芯添加方石英晶體，有效降低陶瓷型芯的高溫蠕變并提高陶瓷型芯的尺寸穩(wěn)定性，從而提高在澆注定向空心葉片時(shí)的成功率的途徑。本發(fā)明一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，由下述組分按重量百分比組成石英玻璃 44-74%方石英10-40%氧化鋯5-16%各組分之和為100%。本發(fā)明一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，由下述組分按重量百分比組成石英玻璃 54-64%方石英20-30%氧化鋯8-13%各組分之和為100%。
本發(fā)明一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，由下述組分按重量百分比組成石英玻璃 56-60%方石英23-27%氧化鋯9-11%各組分之和為100%。 本發(fā)明中，所述石英玻璃的純度大于99. 59 %，氧化鋯的純度大于99. 96 %。本發(fā)明中，所述方石英由石英玻璃煅燒而成，煅燒工藝參數(shù)為溫度1550°C，時(shí)間 4h。本發(fā)明中，所述石英玻璃最大粒度小于230目，方石英最大粒度小于270目，氧化鋯最大粒度小于2微米。本發(fā)明由于采用上述配方，在石英玻璃基體材料中添加方石英晶體，一方面，在較低的燒結(jié)溫度下獲得足量的方石英，作為合金液澆注前石英玻璃析晶的晶核，使陶瓷型芯中形成大量的方石英晶體成為耐高溫骨架，提高陶瓷型芯的抗高溫蠕變性能；有效降低陶瓷型芯的高溫變形并提高鑄造葉片的不露芯率；另一方面，利用方石英晶體在陶瓷型芯焙燒過程中能抑制陶瓷型芯燒結(jié)過程中石英玻璃的黏性流動(dòng)，加入方石英能穩(wěn)定陶瓷型芯的尺寸和降低收縮率，獲得良好的高溫性能。從而為內(nèi)腔日益復(fù)雜的空心渦輪葉片提供性能優(yōu)異的硅基陶瓷型芯，提高葉片內(nèi)腔尺寸的精度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、添加方石英后，能提高陶瓷型芯的抗高溫變形能力，從而有效降低陶瓷型芯的高溫?fù)隙取?、添加方石英后，能抑制石英玻璃的黏性流動(dòng)，從而有效降低陶瓷型芯的燒結(jié)收縮率。綜上所述，本發(fā)明通過在陶瓷型芯中添加方石英晶體，一方面，利用方石英能促進(jìn)石英玻璃析晶的特性，促使陶瓷型芯在燒成后含有足量的方石英，作為合金液澆注前石英玻璃的析晶晶核，使陶瓷型芯中形成大量的方石英晶體成為耐高溫骨架，提高陶瓷型芯的抗高溫蠕變能力，從而有效降低陶瓷型芯的高溫變形并提高鑄造葉片的不露芯率；另一方面，利用方石英晶體在陶瓷型芯焙燒過程中能抑制石英玻璃黏性流動(dòng)的特性，加入方石英能穩(wěn)定陶瓷型芯的尺寸和降低收縮率，從而提高葉片內(nèi)腔尺寸的精度?？捎行岣咛沾尚偷母邷匦阅埽瑥亩鵀槎ㄏ蚩招臏u輪葉片及其他精密鑄造領(lǐng)域提供了一種性能優(yōu)異的硅基陶瓷型芯。經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，定向空心葉片的一次澆注成功率達(dá)到33 %以上。


附圖1是未添加方石英的陶瓷型芯在1250°C燒結(jié)后的物相分析曲線；附圖2是添加30%方石英的陶瓷型芯在1250°C燒結(jié)后的物相分析曲線；附圖3(a)為方石英添加量為10%的組織。附圖3(b)為方石英添加量為30%的組織。比較附圖1、2可知，相對(duì)未加方石英的陶瓷型芯，石英玻璃的析晶速率加快，型芯方石英含量增加。附圖3(a)、附圖3(b)顯示陶瓷型芯并未因?yàn)樘砑臃绞⒍鴮?dǎo)致裂紋。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 陶瓷型芯成分74%石英玻璃，10%方石英，16%氧化鋯，所述石英玻璃純度大于等于99. 59 %，氧化鋯純度大于等于99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。 按工藝升溫至1250°C保溫4h，焙燒后采用硅酸乙酯水溶液和環(huán)氧樹脂/聚酰胺進(jìn)行強(qiáng)化處理。經(jīng)X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為21 %，與未添加方石英的陶瓷型芯相比，其析晶速率明顯增大，抗高溫變形能力有所提高。型芯的性能指標(biāo)如下室溫抗彎強(qiáng)度73MPa，高溫?fù)隙?1550°C下保溫30min) 16mm，收縮率2. 3%。實(shí)施例2 陶瓷型芯成分74%石英玻璃，10%方石英，16%氧化鋯，所述石英玻璃純度大于等于99. 59 %，氧化鋯純度大于等于99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。按工藝升溫至1300°C保溫4h，焙燒后采用硅酸乙酯水溶液和環(huán)氧樹脂/聚酰胺進(jìn)行強(qiáng)化處理。經(jīng)X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為40%，與實(shí)施例1中的陶瓷型芯相比，其方石英轉(zhuǎn)變量增大，表明燒結(jié)溫度提高對(duì)石英玻璃的析晶有利，型芯抗高溫變形能力大幅提高。型芯的性能指標(biāo)如下室溫抗彎強(qiáng)度72MPa，高溫?fù)隙?1550°C下保溫 30min) 0. 4mm,收縮率 3. 04%。實(shí)施例3 陶瓷型芯成分44%石英玻璃，40%方石英，16%氧化鋯，所述石英玻璃純度大于等于99. 59 %，氧化鋯純度大于等于99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。 按工藝升溫至1250°C保溫4h，焙燒后采用硅酸乙酯水溶液和環(huán)氧樹脂/聚酰胺進(jìn)行強(qiáng)化處理。經(jīng)X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為47%。與未添加方石英的陶瓷型芯相比，其析晶速率明顯增大，抗高溫變形能力顯著提高。型芯的性能指標(biāo)如下室溫抗彎強(qiáng)度60MPa，高溫?fù)隙?1550°C下保溫30min)0. 6mm，收縮率1. 14%。實(shí)施例4 陶瓷型芯成分60%石英玻璃，30%方石英，10%氧化鋯，所述石英玻璃純度大于等于99. 59 %，氧化鋯純度大于等于99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。按工藝升溫至1300°C保溫4h，焙燒后采用硅酸乙酯水溶液和環(huán)氧樹脂/聚酰胺進(jìn)行強(qiáng)化處理。經(jīng)X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為60%。與實(shí)施例3的陶瓷型芯相比，其方石英含量明顯增加，表明燒結(jié)溫度提高有利于方石英的析出，型芯抗高溫變形能力有所提高。型芯的性能指標(biāo)如下室溫抗彎強(qiáng)度62MPa，高溫?fù)隙?1550°C下保溫 30min) 0. 5mm,收縮率 1.93%。實(shí)施例5 陶瓷型芯成分55%石英玻璃，40%方石英，5%氧化鋯，所述石英玻璃純度大于等于99. 59%，氧化鋯純度大于等于99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。 按工藝升溫至1250°C保溫4h，焙燒后采用硅酸乙酯水溶液和環(huán)氧樹脂/聚酰胺進(jìn)行強(qiáng)化處理。經(jīng)X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為62%。與未添加方石英的陶瓷型芯相比，其析晶速率明顯增大，抗高溫變形能力顯著提高。型芯的性能指標(biāo)如下室溫抗彎強(qiáng)度56MPa，高溫?fù)隙?1550°C下保溫30min) 0. 5mm,收縮率0. 6%。實(shí)施例1-5制備的陶瓷型芯的性能參數(shù)見表1表 權(quán)利要求
1.一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，由下述組分按重量百分比組成 石英玻璃44-74%方石英 10-40% 氧化鋯 5-16% 各組分之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，由下述組分按重量百分比組成石英玻璃54-64% 方石英 20-30% 氧化鋯 8-13% 各組分之和為100%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，由下述組分按重量百分比組成石英玻璃56-60% 方石英 23-27% 氧化鋯 9-11% 各組分之和為100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，其特征在于所述石英玻璃最大粒度小于230目，方石英最大粒度小于270目，氧化鋯最大粒度小于2微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，其特征在于所述石英玻璃的純度大于99. 59%，氧化鋯的純度大于99. 96%。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，其特征在于所述方石英由石英玻璃煅燒而成，煅燒工藝參數(shù)為溫度1550°C，時(shí)間4h。
全文摘要
一種添加方石英晶體的硅基陶瓷型芯，由下述組分組成石英玻璃、方石英、氧化鋯。本發(fā)明通過在陶瓷型芯中添加方石英晶體，一方面，利用方石英能促進(jìn)石英玻璃析晶的特性，促使陶瓷型芯在燒成后含有足量的方石英，作為合金液澆注前石英玻璃的析晶晶核，使陶瓷型芯中大量的方石英晶體成為耐高溫骨架，提高陶瓷型芯的抗高溫蠕變能力，有效降低陶瓷型芯的高溫變形并提高定向鑄造葉片的不露芯率；另一方面，利用方石英晶體在陶瓷型芯焙燒過程中能抑制石英玻璃黏性流動(dòng)的特性，穩(wěn)定陶瓷型芯的尺寸和降低收縮率，提高葉片內(nèi)腔尺寸的精度。本發(fā)明為定向空心渦輪葉片及其他精密鑄造領(lǐng)域提供了一種性能優(yōu)異的硅基陶瓷型芯。
文檔編號(hào)B22C1/00GK102179477SQ20111009365
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者劉志義, 夏琳燕, 王榮峰, 韓向楠, 龍永成 申請(qǐng)人:中南大學(xué)