一种高性能定向凝固用陶瓷模壳及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属加工技术领域，具体涉及一种高性能定向凝固用陶瓷模壳及其制备工艺。
【背景技术】
[0002]涡轮叶片是航空发动机的最关键零件之一，涡轮叶片的工作性能直接影响着航空发动机的推重比。目前，第二代单晶合金的工作极限温度在1100°c以下，若要在航空发动机涡轮进口温度最高达1600°c的恶劣环境下服役，需在叶片设计中采用复杂的气流内冷通道，通过气流冷却来有效降低叶片材料的实际承受温度。空心叶片的应用也较大程度的降低了叶片的重量。然而，铸件复杂内腔结构和薄壁的特点无疑增加了铸造难度。制壳工艺过程作为熔模铸造的关键过程对铸件的质量具有重要影响。
[0003]国内研制的EC95和811系列定向凝固用陶瓷模壳均为电熔刚玉-硅溶胶系模壳，其强度主要由模壳中生成的二次莫来石建立，而二次莫来石的形成温度在1400°C以上，若模壳的二次莫来石化不充分则模壳强度很难保障，从而使得定向凝固铸件的尺寸精度和冶金质量受到影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种尺寸稳定性佳、残留强度适中、安全且使用方便的高性能定向凝固用陶瓷模壳。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案为:一种高性能定向凝固用陶瓷模壳，其特征在于，所述陶瓷模壳由面层、过渡层、加固层和封浆层层叠组成，沿面层至封浆层所述加固层由第一加固层和第二加固层交替层叠组成，所述第一加固层的耐火材料为锆英粉和电熔刚玉砂，所述第二加固层的耐火材料为电熔刚玉粉和电熔刚玉砂。
[0006]优选的技术方案为，所述第一加固层和第二加固层的总层数是4?10层。
[0007]对于镍基高温合金，当浇注温度低于1540°C时，用锆英粉作面层料浆的耐火材料能有效降低铸件表面粗糙度，优选的技术方案为，所述面层的耐火材料为锆英粉和电熔刚玉砂。
[0008]当浇注温度低于1540°C时，过渡层采用锆英粉模壳比电熔刚玉模壳的强度高，为了加强模壳的强度，同时防止外层模壳剥落现象，优选的技术方案为，所述过渡层的耐火材料为锆英粉和电熔刚玉砂，所述封浆层的耐火材料为锆英粉或电熔刚玉粉。
[0009]本发明的目的还在于提供一种高性能定向凝固用陶瓷模壳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
51:制备錯丰吴；
52:将蜡模浸入到耐火组分为锆英粉的面层浆料中，静止5?30s后取出，然后通过淋砂机将电熔刚玉砂淋挂在蜡模表面至完全覆盖表面浆料，干燥蜡模即成面层；
53:将带面层的蜡模浸入到耐火组分为锆英粉的预湿浆料中，静止5?30s后取出，再将蜡模浸入耐火组分为锆英粉的第一背层浆料中，静止5?30s后取出，通过淋砂机将电熔刚玉砂淋挂在蜡模表面至完全覆盖表面浆料，干燥后重复该步骤I?2次即得过渡层；
54:将带面层和过渡层的蜡模浸入到耐火组分为锆英粉的预湿浆料中，静止5?30s后取出；
55:将预湿后的蜡模浸入耐火组分为锆英粉的第一背层浆料中，静止5?30s后取出，通过淋砂机将电熔刚玉砂淋挂在蜡模表面至完全覆盖表面浆料，干燥，得外层是第一加固层的蜡模；
56:将S5所得蜡模浸入耐火组分为电熔刚玉粉的第二背层浆料中，静止5?30s后取出，通过淋砂机将电熔刚玉砂淋挂在蜡模表面至完全覆盖表面浆料，干燥，得外层是第二加固层的蜡模；
57:重复S5和S6至蜡模外的第一加固层和第二加固层的总层数达到4?10，即得加固层;
58:将S7所得蜡模浸入第一背层浆料或第二背层浆料中，干燥，得封浆层；
59:脱蜡，模壳烧结，得陶瓷模壳。
[0010]为了满足背层模壳有良好的强度和退让性，故背层料浆的成分优选的技术方案为，所述第一背层浆料的组成包括粘结剂硅溶胶、润湿剂、杀菌剂、消泡剂、锆英粉和乳胶，锆英粉与硅溶胶的固液比为3.95?4.26千克/升，润湿剂与硅溶胶的体积百分比为0.7?
1.1%，消泡剂与硅溶胶的体积百分比为0.2?0.4%，乳胶与硅溶胶的体积百分比为4?6%，杀菌剂与锆英粉的重量百分比为0.007?0.011% ;所述第二背层浆料的组成包括粘结剂硅溶胶、润湿剂、杀菌剂、消泡剂、电熔刚玉粉和乳胶，电熔刚玉粉与硅溶胶的固液比为3?3.5千克/升，润湿剂与硅溶胶的体积百分比为0.7?1.1%，消泡剂与硅溶胶的体积百分比为0.2?0.4%，乳胶与硅溶胶的体积百分比为4?6%，杀菌剂与电熔刚玉粉的重量百分比为 0.0105 ?0.017%。
[0011]为了满足面层模壳的低粗糙度和高温稳定性，故面层料浆的成分优选的技术方案为，所述面层浆料的组成包括粘结剂硅溶胶、润湿剂、成膜剂、杀菌剂、消泡剂、锆英粉和乳胶，锆英粉与硅溶胶的固液比为4.16?4.36千克/升，润湿剂与硅溶胶的体积百分比为0.7?1.1%，成膜剂与硅溶胶的体积百分比为2.8?4.5%，消泡剂与硅溶胶的体积百分比为0.2?0.4%，乳胶与硅溶胶的体积百分比为4?6.5%，杀菌剂与锆英粉的重量百分比为
0.0065?0.01% ;所述预湿浆料的组成包括粘结剂硅溶胶、润湿剂、杀菌剂、消泡剂、锆英粉、乳胶，锆英粉与硅溶胶的固液比为1.75?2.15千克/升，润湿剂与硅溶胶的体积百分比为0.7?1.1%，消泡剂与硅溶胶的体积百分比为0.2?0.4%，乳胶与硅溶胶的体积百分比为4?6%，杀菌剂与锆英粉的重量百分比为0.0135?0.023%。
[0012]为确保蒸汽脱蜡时，脱蜡釜内的升压速度尽可能快、降压过程不致胀裂模壳，优选的技术方案为，所述S9中脱蜡工序的温度为170?180°C，脱蜡蒸汽压按照下述方式控制:I bar — 6 bar升压持续时间不大于2s — 9.6 bar升压持续时间4min — Ibar降压持续时间 15min。
[0013]为确保焙烧时模壳中的水分和有机物充分蒸发，本焙烧工艺米用阶梯式升温和降温，优选的技术方案为，所述模壳烧结的温度按照下述方式控制:300°C— 600°C升温持续时间7min保温26min — 950°C升温持续时间23min保温62min — 850°C降温持续时间7min保温29min — 700°C降温持续时间1min保温30min — 600°C降温持续时间5min保温31min — 300°C降温持续时间32min保温5min。
[0014]为确保模壳具有足够的高温强度，硅溶胶采用S12含量为29%_31%、胶粒直径为12nm的HS-30 ;为维持浆料的碱性环境，降低其局部胶凝的风险，润湿剂采用中性的Victawet 12 (pH 值为 7.0-7.4)，杀菌剂采用中性的 Dowicil 200 (pH 为 6.5-7.5)，消泡剂采用碱性的Fumexol 100，海藻酸胺采用碱性的E403 (1%水溶液的pH值为7.0-8.0)。
[0015]优选的技术方案为，所述硅溶胶为HS-30硅溶胶；所述润湿剂为Victawet 12 ;所述杀菌剂为Dowicil 200 ;所述消泡剂为Fumexol 100 ;所述成膜剂为海藻酸钱。
[0016]本发明的优点和有益效果在于:
电熔刚玉层模壳强度较高，有利于高温浇注时模壳尺寸的稳定性；锆英层模壳的强度相对较低，可保证模壳具有合适的残留强度，降低脱壳后单晶铸件的残留应力。本发明模壳的加固层采用锆英粉模壳和电熔刚玉粉模壳交替层叠的结构，可使模壳既有较高的强度，又有合适的退让性:
其次，该模壳所用粘结剂为硅溶胶，此类模壳在干燥时只是向环境中蒸发水分，与现有技术中硅酸乙酯和水玻璃模壳在干燥时会向环境蒸发出乙醇和氨气等物质相比，能保证生产环境操作人员的健康。
[0017]另外本模壳只须焙烧充分就能获得可靠的高温强度、热稳定性以及较低的残留强度，无须通过高温化学反应来建立强度，将该模壳应用于单晶叶片的熔模铸造能有助于提尚广品合格率。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0019]实施例1
实施例1高性能定向凝固用陶瓷模壳由面层、过渡层、加固层和封浆层层叠组成，加固层由第一加固层和第二加固层交替层叠组成，第一加固层的耐火材料为锆英粉和电熔刚玉砂，第二加固层的耐火材料为电熔刚玉粉和电熔刚玉砂，第一加固层和第二加固层的总层数是4层，即陶瓷模壳沿面层至封浆层依次为面层、过渡层、第一加固层、第二加固层、第一加固层、第二加固层、耐火材料为锆英粉的封浆层。
[0020]在实施例1中，第一加固层中的锆英粉和第二加固层中的电熔刚玉粉的粒径均为300目，第一加固层和第二加固层中的电熔刚玉砂粒径为14?21目。
[0021]在实施例1中，封浆层的耐火材料