一種添加方石英的矽基陶瓷型芯的製作方法
2023-06-24 05:43:01
專利名稱：一種添加方石英的矽基陶瓷型芯的製作方法
技術領域：
本發明公開了一種添加方石英的矽基陶瓷型芯，特別是指一種添加方石英的定向空心渦輪葉片用矽基陶瓷型芯；屬於精密鑄造技術領域。
背景技術：
矽基陶瓷型芯具有膨脹係數小、優良的抗急冷急熱能力、機械強度高、化學穩定性好和脫芯方便等優點，廣泛應用在空心渦輪葉片製造領域。矽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溫度來控制陶瓷型芯燒成後方石英的含量，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成品率較高，但在定向及單晶凝固(澆注溫度超過1500°C)時，時常產生嚴重變形甚至斷裂，導致葉片的澆注成品率很低。矽基陶瓷型芯在燒成後必須含有一定量的方石英，作為在合金液澆注時石英玻璃的析晶晶核，促進石英玻璃的析晶。現有的矽基陶瓷型芯由於燒成後方石英含量較少，造成在合金液澆注前型芯中方石英的轉變量不足，以致抗蠕變性能較差，陶瓷型芯在金屬液的作用下發生軟化變形。提高燒結溫度能增加陶瓷型芯燒成後方石英的含量，但同時也帶來了其他問題，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，會降低葉片內腔的尺寸精度；而氣孔率降低會惡化陶瓷型芯的脫芯性能。因此，現有的矽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展的技術瓶頸，需要研究開發性能優異的矽基陶瓷型芯。目前，國內外對通過預先添加方石英提高陶瓷型芯的抗高溫蠕變性能和尺寸穩定性的研究尚未見諸報導。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術之不足而提供一種通過對陶瓷型芯添加方石英晶體，有效降低陶瓷型芯的高溫蠕變並提高陶瓷型芯的尺寸穩定性，從而提高在澆註定向空心葉片時的成功率的途徑。本發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%。 本發明中，所述石英玻璃的純度大於99. 59 %，氧化鋯的純度大於99. 96 %。本發明中，所述方石英由石英玻璃煅燒而成，煅燒工藝參數為溫度1550°C，時間 4h。本發明中，所述石英玻璃最大粒度小於230目，方石英最大粒度小於270目，氧化鋯最大粒度小於2微米。本發明由於採用上述配方，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並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過程中石英玻璃的黏性流動，加入方石英能穩定陶瓷型芯的尺寸和降低收縮率，獲得良好的高溫性能。從而為內腔日益複雜的空心渦輪葉片提供性能優異的矽基陶瓷型芯，提高葉片內腔尺寸的精度。本發明的優點和積極效果1、添加方石英後，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撓度。2、添加方石英後，能抑制石英玻璃的黏性流動，從而有效降低陶瓷型芯的燒結收縮率。綜上所述，本發明通過在陶瓷型芯中添加方石英晶體，一方面，利用方石英能促進石英玻璃析晶的特性，促使陶瓷型芯在燒成後含有足量的方石英，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並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的特性，加入方石英能穩定陶瓷型芯的尺寸和降低收縮率，從而提高葉片內腔尺寸的精度。可有效提高陶瓷型的高溫性能，從而為定向空心渦輪葉片及其他精密鑄造領域提供了一種性能優異的矽基陶瓷型芯。經過生產驗證，定向空心葉片的一次澆注成功率達到33 %以上。
附圖1是未添加方石英的陶瓷型芯在1250°C燒結後的物相分析曲線；附圖2是添加30%方石英的陶瓷型芯在1250°C燒結後的物相分析曲線；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)顯示陶瓷型芯並未因為添加方石英而導致裂紋。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。實施例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於等於99. 59 %，氧化鋯純度大於等於99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓製成標準試樣。 按工藝升溫至1250°C保溫4h，焙燒後採用矽酸乙酯水溶液和環氧樹脂/聚醯胺進行強化處理。經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。型芯的性能指標如下室溫抗彎強度73MPa，高溫撓度(1550°C下保溫30min) 16mm，收縮率2. 3%。實施例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於等於99. 59 %，氧化鋯純度大於等於99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓製成標準試樣。按工藝升溫至1300°C保溫4h，焙燒後採用矽酸乙酯水溶液和環氧樹脂/聚醯胺進行強化處理。經X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為40%，與實施例1中的陶瓷型芯相比，其方石英轉變量增大，表明燒結溫度提高對石英玻璃的析晶有利，型芯抗高溫變形能力大幅提高。型芯的性能指標如下室溫抗彎強度72MPa，高溫撓度(1550°C下保溫 30min) 0. 4mm,收縮率 3. 04%。實施例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於等於99. 59 %，氧化鋯純度大於等於99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓製成標準試樣。 按工藝升溫至1250°C保溫4h，焙燒後採用矽酸乙酯水溶液和環氧樹脂/聚醯胺進行強化處理。經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。型芯的性能指標如下室溫抗彎強度60MPa，高溫撓度(1550°C下保溫30min)0. 6mm，收縮率1. 14%。實施例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於等於99. 59 %，氧化鋯純度大於等於99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓製成標準試樣。按工藝升溫至1300°C保溫4h，焙燒後採用矽酸乙酯水溶液和環氧樹脂/聚醯胺進行強化處理。經X射線定量分析顯示，陶瓷型芯中方石英生成量為60%。與實施例3的陶瓷型芯相比，其方石英含量明顯增加，表明燒結溫度提高有利於方石英的析出，型芯抗高溫變形能力有所提高。型芯的性能指標如下室溫抗彎強度62MPa，高溫撓度(1550°C下保溫 30min) 0. 5mm,收縮率 1.93%。實施例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於等於99. 59%，氧化鋯純度大於等於99. 96 %，方石英由石英玻璃煅燒而成，壓製成標準試樣。 按工藝升溫至1250°C保溫4h，焙燒後採用矽酸乙酯水溶液和環氧樹脂/聚醯胺進行強化處理。經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。型芯的性能指標如下室溫抗彎強度56MPa，高溫撓度(1550°C下保溫30min) 0. 5mm,收縮率0. 6%。實施例1-5製備的陶瓷型芯的性能參數見表1表 權利要求
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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1、2或3所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，其特徵在於所述石英玻璃最大粒度小於230目，方石英最大粒度小於270目，氧化鋯最大粒度小於2微米。
5.根據權利要求1、2或3所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，其特徵在於所述石英玻璃的純度大於99. 59%，氧化鋯的純度大於99. 96%。
6.根據權利要求4所述的一種添加方石英晶體的陶瓷型芯，其特徵在於所述方石英由石英玻璃煅燒而成，煅燒工藝參數為溫度1550°C，時間4h。
全文摘要
一種添加方石英晶體的矽基陶瓷型芯，由下述組分組成石英玻璃、方石英、氧化鋯。本發明通過在陶瓷型芯中添加方石英晶體，一方面，利用方石英能促進石英玻璃析晶的特性，促使陶瓷型芯在燒成後含有足量的方石英，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並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的特性，穩定陶瓷型芯的尺寸和降低收縮率，提高葉片內腔尺寸的精度。本發明為定向空心渦輪葉片及其他精密鑄造領域提供了一種性能優異的矽基陶瓷型芯。
文檔編號B22C1/00GK102179477SQ20111009365
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者劉志義, 夏琳燕, 王榮峰, 韓向楠, 龍永成 申請人:中南大學