專利名稱：精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐火陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種精密鑄造用陶瓷型芯，主要用于形成新 一代燃?xì)廨啓C(jī)高效冷卻空心葉片的空心內(nèi)腔。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)迫切需要提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，首先是提高渦輪的燃?xì)鉁?度，它決定了動(dòng)力裝置的有效功率的實(shí)際提高，如燃?xì)鉁囟葟?200。C提高到135(TC，油耗 率可降低8%。新一代高效燃?xì)廨啓C(jī)渦輪高效冷卻空心葉片不斷發(fā)展，葉片的冷卻結(jié)構(gòu)已由 傳統(tǒng)的對(duì)流、回流、撞擊孔、氣膜冷卻等方式發(fā)展到目前的高效發(fā)散氣冷方式，目前先進(jìn) 的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度要達(dá)到1757°C。
熔模鑄造用型芯除與常規(guī)鑄造一樣，受金屬液包圍，工況條件惡劣外，還需經(jīng)受脫蠟 和焙燒的作用。為此，型芯應(yīng)滿足下列要求耐火度高，熱膨脹率低、尺寸穩(wěn)定，足夠的 強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性好，易脫除。
氧化硅基陶瓷型芯主要用于鑄造澆注溫度較低的柱晶葉片，當(dāng)使用溫度高于155(TC時(shí) (例如單晶鑄造)，硅基陶瓷型芯高溫穩(wěn)定性下降，易于蠕變變形，且合金中活性元素(Al、 Hf、 C)劇烈吸附于其表面，使其應(yīng)用受到了限制。氧化鋁(剛玉)是優(yōu)良的高溫固體材 料，其熔點(diǎn)高達(dá)2054'C，強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，是一種很有應(yīng)用前景的陶瓷型芯基體材 料。對(duì)于氧化鋁基的型芯而言，由于氧化鋁自身所具有的高耐火度、高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱 穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使其作為型芯提供了性能保障。
迄今，國外氧化鋁基陶瓷型芯已可滿足單晶和共晶澆注條件，前蘇聯(lián)自20世紀(jì)70年 代起就將氧化鋁陶瓷型芯應(yīng)用于生產(chǎn)單晶空心葉片，在氧化鋁陶瓷型芯的研究和應(yīng)用方面 走在了世界前列。英、美等國在定向和單晶葉片生產(chǎn)上雖然多用硅基陶芯，但在復(fù)雜薄壁 的單晶葉片及共晶葉片上也已使用氧化鋁陶瓷型芯。
現(xiàn)在國外已經(jīng)有一些公司專業(yè)生產(chǎn)陶瓷型芯，可供軍品和民品生產(chǎn)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā) 展，其型芯產(chǎn)品已形成專業(yè)化、規(guī)模化經(jīng)營， 一些相關(guān)聯(lián)的原輔材料、設(shè)備等品種齊全、 品質(zhì)優(yōu)良、性能穩(wěn)定，為陶瓷型芯的發(fā)展提供了優(yōu)越的外部條件。從原材料控制、制備工 藝、檢測(cè)手段和性能測(cè)試各方面都具備了一整套的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。由于電腦的廣泛介入，使陶 瓷型芯的復(fù)雜程度、精度和光潔度得到了極大提高，生產(chǎn)過程中各項(xiàng)參數(shù)控制更加精確， 保證了高水平商業(yè)化的陶瓷型芯生產(chǎn)。同時(shí)各種輔助設(shè)備如激光修芯機(jī)的應(yīng)用極大地提高 了生產(chǎn)效率和型芯合格率。在我國，氧化鋁陶瓷型芯的研制只是在近幾年剛剛起步，除個(gè) 別航空工廠外，大部分的精鑄廠還不能生產(chǎn)具有復(fù)雜內(nèi)腔的精密鑄件。同時(shí)還沒有出現(xiàn)商 品化的陶瓷型芯供應(yīng)商，生產(chǎn)設(shè)備比較簡單，工藝參數(shù)不能得到準(zhǔn)確控制，其差距與國外 相比是顯而易見的。
高效氣冷葉片的出現(xiàn)將使型芯的制造成為關(guān)鍵技術(shù)。高效氣冷葉片與傳統(tǒng)葉片相比較， 冷卻結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、葉片壁厚更薄。這將使型芯的制造工藝更復(fù)雜，尺寸更小，對(duì)性能的 要求更高。為適應(yīng)這種變化，研究能在更苛刻環(huán)境下使用的復(fù)合陶瓷型芯勢(shì)在必行。復(fù)合 陶瓷較單一組分陶瓷能提高斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性及耐高溫性能，并能降低燒結(jié)溫度和高溫 撓度，這些性能的提高對(duì)復(fù)雜細(xì)微結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯非常有利。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù) 合陶瓷型芯，該復(fù)合陶瓷型芯適用于新一代高效燃?xì)廨啓C(jī)渦輪高效冷卻空心葉片精密鑄造， 具有耐高溫、高溫化學(xué)穩(wěn)定性和相穩(wěn)定性良好、尺寸穩(wěn)定性高、耐沖擊、易脫除的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明所述的精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，由剛玉粉及原位合成的鈦酸鋁、 二鈦酸鎂和莫來石組成，所述復(fù)合陶瓷型芯由下列重量配比的原料制成不同粒度的剛玉
粉70~85%，氧化鎂粉0~2%， 二氧化鈦粉8~20%，藍(lán)晶石粉6~10%，并加入占該四種原料 總質(zhì)量的1~3%的碳粉作為易潰散劑。
上述精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯中，所述不同粒度的剛玉粉中粗粒、中粒和 細(xì)粒的重量比為粗粒:中粒:細(xì)粒=1:2:1，所述粗粒粒度為200~800nm，中粒粒度為7~25 )am， 細(xì)粒粒度為0.5~6 (^rn，且至少有占總剛玉粉lwt。/。的剛玉微粉，粒子平均尺寸在0.75~3 pm。
所述藍(lán)晶石粉中氧化鋁含量大于60wt。/。， Fe203含量小于1.5wt%， Ti02含量小于2wt%， 所述藍(lán)晶石粉的耐火度高于1825°C。所述氧化鎂粉的原料要求為氧化鎂含量大于98wt%， 堿性物雜質(zhì)含量小于0.2wt%，氧化鎂粉粒度為小于0.08mm。所述二氧化鈦粉的原料要求 為二氧化鈦含量大于99wt%，堿性物雜質(zhì)含量小于0.2wt%， 二氧化鈦粉粒度為小于 0.05誰。
本發(fā)明還提供了上述精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯的制備方法，其步驟如下-
(1) 將所述不同粒度的氧化鋁基體即剛玉粉首先混合均勻，然后和所述氧化鎂粉、藍(lán) 晶石粉、二氧化鈦粉、碳粉一起加入混合機(jī)械中混合，混合好后的物料經(jīng)過干壓成形；
(2) 將上述成形好的坯料置于高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)加熱升溫的過程為連續(xù)升溫 的過程，升溫速度控制在180 200'C/小時(shí)，升溫至1350 155CTC并在該溫度范圍下保溫5~10 小時(shí)，然后隨爐冷卻。
上述方法中，在步驟(2)的燒結(jié)過程中藍(lán)晶石粉分解生成莫來石和二氧化硅，二氧化 硅再和剛玉微粉在型芯燒結(jié)過程中通過原位反應(yīng)生成莫來石；型芯燒結(jié)時(shí)，剛玉微粉分別 和二氧化鈦粉、氧化鎂粉原位合成鈦酸鋁、二鈦酸鎂第二相。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果所提出的氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，利
用鈦酸鋁高熔點(diǎn)，接近于零膨脹系數(shù)，低的導(dǎo)熱系數(shù)，抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)的特點(diǎn)，利用原 位合成工藝在型芯燒結(jié)過程中自身合成的與鈦酸鋁晶型相同的二鈦酸鎂，以及高溫性能優(yōu) 良的莫來石，二者通過與鈦酸鋁形成固溶體以抑制鈦酸鋁中溫域分解，并滿足復(fù)合陶瓷型
芯的力學(xué)性能。本發(fā)明在氧化鋁基體中添加一定的添加劑，可以在相對(duì)較低的溫度下燒結(jié) 并獲得一定強(qiáng)度，通過原位反應(yīng)生成的鈦酸鋁、莫來石來提高氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯的高 溫抗熱震和高溫蠕變性能。本發(fā)明在氧化鋁基體中所添加的添加劑可降低陶瓷型芯的燒結(jié) 溫度，而且燒結(jié)過程中原位合成的這些第二相可以提高氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯的抗熱震性 能、高溫蠕變性能等。所制得的陶瓷型芯收縮率小，室溫和高溫強(qiáng)度均滿足精密鑄造用陶 瓷型芯的要求；高溫化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性良好；熱膨脹系數(shù)較低。本發(fā)明提供的原料配 比內(nèi)的原料經(jīng)適宜的燒結(jié)制度燒結(jié)后，幾乎沒有高溫蠕變。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1
本發(fā)明所述的精密鑄造用原位合成氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，原料配料重量百分比組成
為
剛玉粉85%、藍(lán)晶石粉6%、氧化鎂粉1%、 二氧化鈦粉8%，外加前述原料質(zhì)量2%
碳粉作為易潰散劑。
其中剛玉粉由不同粒度配比粗粒中粒:細(xì)粒-l:2:l的粉料組成。 將不同粒度配比剛玉粉混合均勻，后與氧化鎂粉、二氧化鈦粉、藍(lán)晶石粉和碳粉混合
均勻，壓制成形后在1350 1550'C溫度下保溫5 10小時(shí)，隨爐冷卻后得到本發(fā)明陶瓷型芯坯料。
將飽和NaOH溶液煮沸，把陶瓷型芯放在其中煮1~3小時(shí)，并輔以高壓水沖，型芯潰散。
實(shí)施例2
本發(fā)明所述的精密鑄造用原位合成氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，原料配料重量百分比組成
為
剛玉粉70%、藍(lán)晶石粉10%、氧化鎂粉0%、 二氧化鈦粉20%，外加前述原料質(zhì)量
2%碳粉作為易潰散劑。
其中剛玉粉由不同粒度配比粗粒中粒:細(xì)粒=1:2:1的粉料組成。 將不同粒度配比剛玉粉混合均勻，后與氧化鎂粉、二氧化鈦粉、藍(lán)晶石粉和碳粉混合
均勻，壓制成形后在1350 155(TC溫度下保溫5 10小時(shí)，隨爐冷卻后得到本發(fā)明陶瓷型芯坯料。
將飽和NaOH溶液煮沸，把陶瓷型芯放在其中煮1 3小時(shí)，并輔以高壓水沖，型芯潰散。 實(shí)施例3
本發(fā)明所述的精密鑄造用原位合成氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，原料配料重量百分比組成
為
剛玉粉75%、藍(lán)晶石粉8%、氧化鎂粉2%、 二氧化鈦粉15%，外加前述原料質(zhì)量
2%碳粉作為易潰散劑。
其中剛玉粉由不同粒度配比粗粒中粒:細(xì)粒=1:2:1的粉料組成。 將不同粒度配比剛玉粉混合均勻，后與氧化鎂粉、二氧化鈦粉、藍(lán)晶石粉和碳粉混合
均勻，壓制成形后在135(K1550。C溫度下保溫5 10小時(shí)，隨爐冷卻后得到本發(fā)明陶瓷型芯坯料。
將飽和NaOH溶液煮沸，把陶瓷型芯放在其中煮1 3小時(shí)，并輔以高壓水沖，型芯潰散。
實(shí)施例4
本發(fā)明所述的精密鑄造用原位合成氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，原料配料重量百分比組成
為
剛玉粉83.6%、藍(lán)晶石粉7.6%、氧化鎂粉0%、 二氧化鈦粉8.8%，外加前述原料質(zhì)
量2%碳粉作為易潰散劑。
其中剛玉粉由不同粒度配比粗粒中粒:細(xì)粒=1:2:1的粉料組成。 將不同粒度配比剛玉粉混合均勻，后與氧化鎂粉、二氧化鈦粉、藍(lán)晶石粉和碳粉混合
均勻，壓制成形后在1350 155(TC溫度下保溫5 10小時(shí)，隨爐冷卻后得到本發(fā)明陶瓷型芯坯料。
將飽和NaOH溶液煮沸，把陶瓷型芯放在其中煮1~3小時(shí)，并輔以高壓水沖，型芯潰散。
實(shí)施例5
本發(fā)明所述的精密鑄造用原位合成氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，原料配料重量百分比組成
為
剛玉粉73.6%、藍(lán)晶石粉7.6%、氧化鎂粉2%、 二氧化鈦粉16.8%，外加前述原料
質(zhì)量2%碳粉作為易潰散劑。
其中剛玉粉由不同粒度配比粗粒沖粒:細(xì)粒=1:2:1的粉料組成。 將不同粒度配比剛玉粉混合均勻，后與氧化鎂粉、二氧化鈦粉、藍(lán)晶石粉和碳粉混合
均勻，壓制成形后在1350 1550'C溫度下保溫5 10小時(shí)，隨爐冷卻后得到本發(fā)明陶瓷型芯坯料。
將飽和NaOH溶液煮沸，把陶瓷型芯放在其中煮1~3小時(shí)，并輔以高壓水沖，型芯潰散。
權(quán)利要求
1、精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，其特征在于該復(fù)合陶瓷型芯是由剛玉粉及原位合成的鈦酸鋁、二鈦酸鎂和莫來石組成，所述復(fù)合陶瓷型芯由下列重量配比的原料制成不同粒度的剛玉粉70～85％，氧化鎂粉0～2％，二氧化鈦粉8～20％，藍(lán)晶石粉6～10％，并加入占該四種原料總質(zhì)量的1～3％的碳粉作為易潰散劑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，其特征在于所述不同 粒度的剛玉粉中粗粒、中粒和細(xì)粒的重量比為粗粒:中粒:細(xì)粒=1:2:1，所述粗粒粒度為 200~80(Vm，中粒粒度為7~25 pm，細(xì)粒粒度為0.5~6 nm，且至少有占總剛玉粉lwt。/o的剛 玉微粉，粒子平均尺寸在0.75~3 pm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，其特征在于所述藍(lán)晶 石粉中氧化鋁含量大于60wt%， Fe2Cb含量小于1.5wt%， Ti02含量小于2wt%，所述藍(lán)晶石 粉的耐火度高于1825°C。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，其特征在于所述氧化 鎂粉的原料要求為氧化鎂含量大于98wt%，堿性物雜質(zhì)含量小于0.2wt%，氧化鎂粉粒度 為小于0.08mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯，其特征在于所述二氧 化鈦粉的原料要求為二氧化鈦含量大于99wt%，堿性物雜質(zhì)含量小于0.2wt。/。， 二氧化鈦 粉粒度為小于0.05mm。
6、 權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯的制備方法，其 特征在于包括如下步驟(1) 將所述不同粒度剛玉粉首先混合均勻，然后和所述氧化鎂粉、藍(lán)晶石粉、二氧化 鈦粉、碳粉一起加入混合機(jī)械中混合，混合好后的物料經(jīng)過干壓成形；(2) 將上述成形好的坯料置于高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)加熱升溫的過程為連續(xù)升溫 的過程，升溫速度控制在180 200'C/小時(shí)，升溫至1350 155(TC并在該溫度范圍下保溫5 10 小時(shí)，然后隨爐冷卻。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于在步驟(2)的燒結(jié)過程中藍(lán)晶石 粉分解生成莫來石和二氧化硅，二氧化硅再和剛玉微粉在型芯燒結(jié)過程中通過原位反應(yīng)生 成莫來石，型芯燒結(jié)時(shí)，剛玉微粉還分別和二氧化鈦粉、氧化鎂粉原位合成鈦酸鋁、二鈦 酸鎂第二相。
全文摘要
本發(fā)明提供了精鑄用自反應(yīng)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯及其制備方法，該復(fù)合陶瓷型芯是由剛玉粉及原位合成的鈦酸鋁、二鈦酸鎂和莫來石組成，所述復(fù)合陶瓷型芯由下列重量配比的原料制成不同粒度的剛玉粉70～85％，氧化鎂粉0～2％，二氧化鈦粉8～20％，藍(lán)晶石粉6～10％，并加入占該四種原料總質(zhì)量的1～3％的碳粉作為易潰散劑。所述方法將上述前述原料混合，干壓成形后高溫?zé)贫?。本發(fā)明氧化鋁基體中添加其他原料，所制備的陶瓷型芯高溫化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性良好；熱膨脹系數(shù)較低；燒結(jié)后收縮率小，室溫和高溫強(qiáng)度均滿足精密鑄造用陶瓷型芯的要求。
文檔編號(hào)B22C1/00GK101386546SQ20081019912
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者覃業(yè)霞, 鄧飛其 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)