专利名称：一种钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷型芯，更特别地说，是指一种适用于钛合金铸造用的氧化钙基陶瓷型芯，以及制备该氧化钙基陶瓷型芯的方法。
背景技术：
现代工业对精密铸件的需求正在逐渐上升，同时在航空工业中为了提高发动机的综合性能，改善叶片冷却结构、提高叶片冷却效率已成为涡轮叶片设计与制造者当前追求的目标，陶瓷型芯的制造成为涡轮叶片制造技术的瓶颈之一，它的性能和质量将直接影响叶片生产的合格率和成本。由于叶片的冷却结构日益复杂，叶片壁厚变得更薄，而且采用双层壁结构后，与传统的空心叶片有很大不同，因而对陶瓷型芯的制造工艺要求结构更复杂， 尺寸更精确，性能更高。
目前，在国内、国外广泛使用的高效气冷涡轮叶片用陶瓷型芯分为氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝基陶瓷型芯两种。氧化硅系列陶瓷型芯的原料主要是以石英玻璃为基体材料，添加锆英粉、莫来石或稀土氧化物等作为矿化剂制成的陶瓷型芯。其使用温度为 1520°C 1560°C，在1500°C 1550°C的浇注条件下，成品率较高，而且易于用碱液腐蚀掉； 但当使用温度大于1550°C，用于单晶浇注时，叶片的合格率会受到影响，尤其是合金中含 Al、Hf和C时，在1550°C以上硅基型芯会与之发生化学反应，因此石英玻璃基型芯只适合生产柱晶和单晶叶片，不能用于更高温度的定向凝固合金。
与氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化铝陶瓷型芯具有高的耐火度，对熔融金属的化学稳定性好、良好的热稳定性、低的热膨胀系数、抗蠕变性能好等优点，且在焙烧和使用过程中没有晶型转变，结构稳定。随温度升高，氧化铝基陶瓷型芯具有和刚玉型壳相匹配的线膨胀系数，可有效保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶空心叶片的尺寸精度和合格率，并能降低叶片的制造成本，因此很适合高级单晶和共晶浇铸条件使用。型芯烧成温度大于 1300°C，使用温度大于1550°C，最高可达1850°C。
虽然氧化铝基陶瓷型芯具有优良的性能，但其目前的技术关键是脱芯问题。氧化铝基陶瓷型芯的脱芯非常困难，通常会带来40%的废品率。这也是长期以来一直阻碍其广泛应用的最主要原因。发明内容
本发明的目的之一是提供一种可供钛合金铸造用的氧化钙基陶瓷型芯。该氧化钙作为一种传统的耐火材料，具有化学稳定性好、抗蠕变性好、无晶型相变等一系列特点。与氧化铝基陶瓷型芯相比，更是具有易脱芯、可有效降低成本等优点。
本发明的目的之二是提出一种制备钛合金铸造用的氧化钙基陶瓷型芯的方法。
制备本发明钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法为
步骤一配原料，制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要1 15公斤的二氧化锆 (ZrO2)、0. 5 10公斤的氧化钇( )、0. 05 0. 1公斤的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)；
步骤二 制过筛原料，将氧化钙(CaO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化钍 (ThO2)进行球磨分筛，取筛下物，即得到过筛原料；所述筛下物的粒度< 100微米；
在球磨机的球磨过程中，研磨体选用直径为IOmm轴承钢球和直径为5mm的轴承钢球，球磨Ig的过筛原料所需2 IOg的IOmm轴承钢球和2 IOg的5mm轴承钢球。
步骤三将过筛原料与油酸在25 70°C的温度下混合均勻，得到第一物料；制 100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入0. 3 1. 5公斤的油酸；
步骤四将石蜡和蜂蜡在100 120°C的温度下混合均勻，得到第二物料；制100 公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入5. 0 12. 5公斤的石蜡和6. 0 15公斤的蜂蜡；
步骤五在500 lOOOr/min搅拌状态下将第一物料加入第二物料中，并在搅拌速度为1500 3000r/min下搅拌8 15小时后，形成第三物料；
步骤六在空气气氛下将第三物料注入料锭中，冷却后得到氧化钙基陶瓷料锭；
步骤七对氧化钙基陶瓷料锭进行造型、烧结，得到氧化钙基陶瓷型芯；烧结填料为白刚玉粉，烧结温度为1200 1500°C。
本发明的优点是本制品不但具有足够的室温、高温强度，良好的化学稳定性，低的烧成收缩及线膨胀率，还具有很好的脱芯能力。本发明的陶瓷型芯与与目前商用的氧化铝基、氧化硅基陶瓷型芯相比，其与熔融钛的反应性大幅下降，且具有耐高温、易脱芯、成本低廉等特点。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的详细说明，如非特指，所有的单位均为重量百分比单位。
本发明的一种钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其包括有下列重量百分比的成分1.0% 15.0% 的二氧化锆(ZrO2)^O. 5%~ 10.0% 的氧化钇( )、0· 05% 0. 的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)，并且上述各成分的含量之和为100%。
制备本发明钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法为
步骤一配原料，制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要1 15公斤的二氧化锆 (ZrO2)、0. 5 10公斤的氧化钇( )、0. 05 0. 1公斤的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙 (CaO)；
步骤二 制过筛原料，将氧化钙(CaO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化钍 (ThO2)进行球磨分筛，取筛下物，即得到过筛原料；所述筛下物的粒度< 100微米；
在本发明中，在球磨机的球磨过程中，研磨体选用直径为IOmm轴承钢球和直径为 5mm的轴承钢球，球磨Ig的过筛原料所需2 IOg的IOmm轴承钢球和2 IOg的5mm轴承钢球。
步骤三将过筛原料与油酸在25 70°C的温度下混合均勻，得到第一物料；制 100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入0. 3 1. 5公斤的油酸；
步骤四将石蜡和蜂蜡在100 120°C的温度下混合均勻，得到第二物料；制100 公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入5. 0 12. 5公斤的石蜡和6. 0 15公斤的蜂蜡；
步骤五在500 lOOOr/min搅拌状态下将第一物料加入第二物料中，并在搅拌速度为1500 3000r/min下搅拌8 15小时后，形成第三物料；
步骤六在空气气氛下将第三物料注入料锭中，冷却后得到氧化钙基陶瓷料锭
步骤七对氧化钙基陶瓷料锭进行造型、烧结，得到氧化钙基陶瓷型芯；烧结填料为白刚玉粉，烧结温度为1200 1500°C。
在本发明中，所述造型是依据了所需加工对象，如航空发动机的叶片，是依据叶片的翼型进行铸造模壳的。在进行叶片加工时，所以选用的钛合金在浇铸时的温度为1550 1750°C，这说明本发明氧化钙基陶瓷型芯能够承载的温度较高。
实施例1
制备本发明钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法为
步骤一配原料，制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要10公斤的二氧化锆(ZrO2)UO 公斤的氧化钇(Y2O3)、0.05公斤的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)；
步骤二 制过筛原料，将氧化钙(CaO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化钍 (ThO2)进行球磨分筛，取筛下物，即得到过筛原料；所述筛下物的粒度< 100微米；
在本发明中，在球磨机的球磨过程中，研磨体选用直径为IOmm轴承钢球和直径为 5mm的轴承钢球，球磨Ig的过筛原料所需5g的IOmm轴承钢球和2g的5mm轴承钢球。
步骤三将过筛原料与油酸在50°C的温度下混合均勻，得到第一物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入0. 5公斤的油酸；
步骤四将石蜡和蜂蜡在105°C的温度下混合均勻，得到第二物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入12. 5公斤的石蜡和12. 5公斤的蜂蜡；
步骤五在lOOOr/min搅拌状态下将第一物料加入第二物料中，并在搅拌速度为 1500r/min下搅拌10小时后，形成第三物料；
步骤六在空气气氛下将第三物料注入料锭中，冷却后得到氧化钙基陶瓷料锭；
步骤七对氧化钙基陶瓷料锭进行造型、烧结，得到氧化钙基陶瓷型芯；烧结填料为白刚玉粉，烧结温度为1500°C。
制钛合金叶片在浇铸时的温度为1700°C。
按照航标规定，使用三点弯曲的方式测试了实施例1制得的型芯的高温、室温强度，下压速率为6mm/s，并测试烧成收缩，及孔隙率，高温挠度等一系列性能。氧化钙基陶瓷型芯的室温抗弯强度最大值为27Mpa，高温抗弯强度最大值为9. 7Mpa,高温挠度为0. 3%， 烧成收缩为1.5%，孔隙率为40%。
实施例2
制备本发明钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法为
步骤一配原料，制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要3公斤的二氧化锆(ZrO2)、2公斤的氧化钇(Y2O3)、0· 05公斤的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)；
步骤二 制过筛原料，将氧化钙(CaO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化钍 (ThO2)进行球磨分筛，取筛下物，即得到过筛原料；所述筛下物的粒度< 100微米；
在本发明中，在球磨机的球磨过程中，研磨体选用直径为IOmm轴承钢球和直径为 5mm的轴承钢球，球磨Ig的过筛原料所需IOg的IOmm轴承钢球和2g的5mm轴承钢球。
步骤三将过筛原料与油酸在70°C的温度下混合均勻，得到第一物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入1. 5公斤的油酸；
步骤四将石蜡和蜂蜡在120°C的温度下混合均勻，得到第二物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入10公斤的石蜡和15公斤的蜂蜡；
步骤五在600r/min搅拌状态下将第一物料加入第二物料中，并在搅拌速度为 1500r/min下搅拌15小时后，形成第三物料；
步骤六在空气气氛下将第三物料注入料锭中，冷却后得到氧化钙基陶瓷料锭；
步骤七对氧化钙基陶瓷料锭进行造型、烧结，得到氧化钙基陶瓷型芯；烧结填料为白刚玉粉，烧结温度为1350°C。
制钛合金叶片在浇铸时的温度为1550°C。
按照航标规定，使用三点弯曲的方式测试了实施例2制得的型芯的高温、室温强度，下压速率为6mm/s，并测试烧成收缩，及孔隙率，高温挠度等一系列性能。氧化钙基陶瓷型芯的室温抗弯强度最大值为25Mpa，高温抗弯强度最大值为8. 9Mpa,高温挠度为0. 5%， 烧成收缩为2. 0%，孔隙率为45%。
实施例3
制备本发明钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法为
步骤一配原料，制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要15公斤的二氧化锆(ZrO2)、5 公斤的氧化钇α203)、0. 1公斤的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)；
步骤二 制过筛原料，将氧化钙(CaO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化钍 (ThO2)进行球磨分筛，取筛下物，即得到过筛原料；所述筛下物的粒度< 100微米；
在本发明中，在球磨机的球磨过程中，研磨体选用直径为IOmm轴承钢球和直径为 5mm的轴承钢球，球磨Ig的过筛原料所需5g的IOmm轴承钢球和5g的5mm轴承钢球。
步骤三将过筛原料与油酸在32°C的温度下混合均勻，得到第一物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入1.0公斤的油酸；
步骤四将石蜡和蜂蜡在120°C的温度下混合均勻，得到第二物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入12公斤的石蜡和6. 0公斤的蜂蜡；
步骤五在lOOOr/min搅拌状态下将第一物料加入第二物料中，并在搅拌速度为 1500r/min下搅拌15小时后，形成第三物料；
步骤六在空气气氛下将第三物料注入料锭中，冷却后得到氧化钙基陶瓷料锭；
步骤七对氧化钙基陶瓷料锭进行造型、烧结，得到氧化钙基陶瓷型芯；烧结填料为白刚玉粉，烧结温度为1200°C。
制钛合金叶片在浇铸时的温度为1650°C。
按照航标规定，使用三点弯曲的方式测试了实施例3制得的型芯的高温、室温强度，下压速率为6mm/s，并测试烧成收缩，及孔隙率，高温挠度等一系列性能。氧化钙基陶瓷型芯的室温抗弯强度最大值为^Mpa，高温抗弯强度最大值为6. 3Mpa,高温挠度为0. 2%， 烧成收缩为2. 0 %，孔隙率为50 %。
权利要求
1.一种钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其特征在于所述氧化钙基陶瓷型芯包括有下列重量百分比的成分1.0% 15.0%的二氧化锆(&02)、0. 5% 10.0%的氧化钇 (Y2O3)、0.05% 0. 的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)，并且上述各成分的含量之和为100%。
2.根据权利要求1所述的钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其特征在于所述氧化钙基陶瓷型芯的室温抗弯强度为15 30Mpa。
3.根据权利要求1所述的钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其特征在于所述氧化钙基陶瓷型芯的高温抗弯强度为5 lOMpa。
4.根据权利要求1所述的钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其特征在于所述氧化钙基陶瓷型芯的高温挠度为0. 2% 0. 5%。
5.根据权利要求1所述的钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其特征在于所述氧化钙基陶瓷型芯的烧成收缩率为小于2. 0%。
6.根据权利要求1所述的钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯，其特征在于所述氧化钙基陶瓷型芯的孔隙率为40% 50%。
7.制备如权利要求1所述的钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法，其特征在于包括有下列步骤步骤一配原料，制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要1 15公斤的二氧化锆(ZrO2)、 0. 5 10公斤的氧化钇( )、0· 05 0· 1公斤的氧化钍(ThO2)和余量的氧化钙(CaO)；步骤二 制过筛原料，将氧化钙(CaO)、二氧化锆(ZrO2)、氧化钇(Y2O3)和氧化钍(ThO2) 进行球磨分筛，取筛下物，即得到过筛原料；所述筛下物的粒度< 100微米；步骤三将过筛原料与油酸在25 70°C的温度下混合均勻，得到第一物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入0. 3 1. 5公斤的油酸；步骤四将石蜡和蜂蜡在100 120°C的温度下混合均勻，得到第二物料；制100公斤氧化钙基陶瓷型芯需要加入5. 0 12. 5公斤的石蜡和6. 0 15公斤的蜂蜡；步骤五在500 lOOOr/min搅拌状态下将第一物料加入第二物料中，并在搅拌速度为 1500 3000r/min下搅拌8 15小时后，形成第三物料；步骤六在空气气氛下将第三物料注入料锭中，冷却后得到氧化钙基陶瓷料锭；步骤七对氧化钙基陶瓷料锭进行造型、烧结，得到氧化钙基陶瓷型芯；烧结填料为白刚玉粉，烧结温度为1200 1500°C。
8.根据权利要求7所述的制备钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法，其特征在于 在进行钛合金叶片加工时，浇铸温度为1550 1750°C。
9.根据权利要求7所述的制备钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯的方法，其特征在于 在球磨机的球磨过程中，研磨体选用直径为IOmm轴承钢球和直径为5mm的轴承钢球，球磨 Ig的过筛原料所需2 IOg的IOmm轴承钢球和2 IOg的5mm轴承钢球。
全文摘要
本发明公开了一种钛合金铸造用氧化钙基陶瓷型芯及其制备方法，所述氧化钙基陶瓷型芯包括有下列重量百分比的成分1.0％～15.0％的二氧化锆、0.5％～10.0％的氧化钇、0.05％～0.1％的氧化钍和余量的氧化钙，并且上述各成分的含量之和为100％。本发明的陶瓷型芯，室温抗弯强度为15～30Mpa，高温抗弯强度为5～10Mpa，高温挠度为0.2％～0.5％，烧成收缩率为1％～1.5％，孔隙率为40％～50％。本发明的型芯与目前商用的氧化铝基、氧化硅基陶瓷型芯相比，其与熔融钛的反应性大幅下降，且具有耐高温、易脱芯、成本低廉等优点。
文档编号C04B35/622GK102531648SQ201110441798
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者周铁涛, 高鹏 申请人:北京航空航天大学