本发明涉及铸造领域，具体地，涉及一种纤维增强陶瓷型芯及其制备方法。
背景技术：
合金铸件的复杂内腔主要通过使用预制的陶瓷型芯来成型，并待铸件铸成后设法脱除。其工艺流程如下：陶芯制备、含陶芯的蜡模制备、制壳、型壳脱蜡和焙烧、合金浇铸、脱芯。众所周知，随着我国发展大型飞机项目和各种新型发动机研制项目的启动，对钛合金精密铸件的形体、结构及其性能提出了更高的要求。
目前，研究较为广泛的氧化硅、氧化硅基陶瓷型芯，因型芯材料不具备对熔融钛合金良好的化学反应惰性且脱芯工艺复杂很难应用于钛合金精铸领域。由于氮化硼与熔融钛合金在高温下具有较高的化学反应惰性，且具良好的高温抗蠕变性能，氮化硼是一种很适合用做钛合金精铸用陶瓷型芯的骨料。近年来引起了相关科研人员的关注，如公开号200610028168.9的中国发明专利申请公开了一种用于钛及钛合金精密铸造的氮化硼陶瓷型壳的制备方法，该发明中采用氮化硼粉料及其醋酸锆或硅溶胶为粘结剂制成涂料浆。由于钛合金的形状越来越复杂，现在的钛合金铸件往往带有复杂内腔，这要求型芯在钛合金浇注过程中具备良好的高温抗蠕变性能进而保证形状的完整性同时也对对型芯的脱除性能提出了更高的要求。但氮化硼化学性能稳定给型芯脱除带来了一定困难尤其是对于形状复杂的型芯很难用机械方法进行清除。为了改善型芯的脱芯性能，氧化硅型芯材料也受到相关科研人员的关注，如cn102531648a的中国发明专利申请公开了一种钛合金铸造用氧化硅基体陶瓷型芯及制备方法，由于在钛合金精密铸造工艺较为复杂，从含陶芯的蜡模制备到合金的浇注时间一般均在两周以上，型芯在使用过程中要与水基涂料相接触。上述专利制备出的型芯遇水后即发生水化反应而造成型芯的溃散，因此，上述型芯难以实际应用于钛合金等需要高精密铸造领域且陶瓷的型芯强度要求也比较高难以满足。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种纤维增强陶瓷型芯及其制备方法，该纤维增强陶瓷型芯的原料简单且来源丰富，该陶瓷型芯具有优异的拉伸强度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种纤维增强陶瓷型芯的制备方法，包括：
将改性玄武岩纤维、剑麻纤维、莫来石纤维、氧化硅、氧化锆、氧化钙、石蜡和萜烯树脂按照100：5-10：1-5：200-300：50-60：20-50：150-300：100-200的重量比进行混合、加热搅拌得到浆料；将所述浆料注入陶瓷型芯模具中进行压注，接着进行高温焙烧制得陶瓷型芯胚体；最后，将所述陶瓷型芯胚体浸入硅溶胶溶液中后烘干；
其中，所述改性玄武岩纤维是由玄武岩纤维依次偶联剂溶液预处理、致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化后得到的。
本发明中还提供了一种上述制备方法制得的纤维增强陶瓷型芯。
通过上述技术方案，本发明选择将改性玄武岩纤维、剑麻纤维和莫来石纤维按照特定的重量配比制得组合纤维作为陶瓷型芯的原料，并且与氧化硅、氧化锆、氧化钙、石蜡和萜烯树脂等原料混合得到浆料，再进行压注、高温焙烧制得陶瓷型芯，该陶瓷型芯具有优异的拉伸强度。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中提供了一种纤维增强陶瓷型芯的制备方法，包括：
将改性玄武岩纤维、剑麻纤维、莫来石纤维、氧化硅、氧化锆、氧化钙、石蜡和萜烯树脂按照100：5-10：1-5：200-300：50-60：20-50：150-300：100-200的重量比进行混合、加热搅拌得到浆料；将所述浆料注入陶瓷型芯模具中进行压注，接着进行高温焙烧制得陶瓷型芯胚体；最后，将所述陶瓷型芯胚体浸入硅溶胶溶液中后烘干；
其中，所述改性玄武岩纤维是由玄武岩纤维依次偶联剂溶液预处理、致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化后得到的。
上述技术方案中，所述加热搅拌的条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高混合效果，优选地，所述加热搅拌的条件为：温度为110-150℃，搅拌时间为2-6h。
上述技术方案中，所述高温烘焙的条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高制得的陶瓷型芯的强度，优选地，所述高温焙烧至少满足以下条件：升温速率为5-10℃/min：自室温下升温至200-220℃焙烧2-4h；接着升温至400-600℃并焙烧4-6h；再升温至800-850℃并保温4-5h，最后在1000-1200℃焙烧6-8h。
上述技术方案中，所述改性玄武岩纤维的改性方法可以有多种选择，但是为了提高制得的改性玄武岩纤维的拉伸强度，优选地，改性玄武岩纤维通过以下方法制得：
1)将偶联剂与水按照1：85-105的重量比进行混合制得处理液；
2)将玄武岩纤维放入所述处理液中进行一次浸泡、研磨及搅拌；
3)接着，进行过滤、烘干后再次放入所述处理液中进行二次浸泡、并过滤、烘干得到预处理玄武岩纤维；
4)将上述预处理玄武岩纤维先后依次进行致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化后即制得所述改性玄武岩纤维。
上述技术方案中，所述致密化物理改性处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高改性效果，优选地，致密化物理改性处理至少满足以下条件：在空气介质中、于150-200℃温度下、施以0-+5％伸长率的牵伸，处理时间为2-10min。
上述技术方案中，所述预氧化处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高预氧化、改性效果，优选地，所述预氧化至少满足以下条件：在空气介质中、于200-300℃温度下、施以0-+10％伸长率的牵伸，处理时间为100-150min。
上述技术方案中，所述低温碳化处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高碳化效果，优选地，所述低温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下、施以-3-+10％伸长率的牵伸、在500-600℃温度下碳化2-10min。
上述技术方案中，所述高温碳化处理的条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高碳化效果，优选地，所述高温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下，施以-3-+5％伸长率的牵伸下、在1400-1450℃温度下碳化0.2-3min。
上述技术方案中，所述偶联剂的种类可以在宽的范围内选择，但是为了提高预处理效果且提高用该组合物制得的陶瓷型芯的拉伸强度，优选地，所述偶联剂为沃兰处理剂、牌号为kh560或牌号为kh550的偶联剂。
上述技术方案中，所述浸泡的具体条件可以在宽的范围内选择，但是为了提高浸泡效果及效率，优选地，所述一次浸泡和二次浸泡各自独立的至少满足以下条件：浸泡温度为20-60℃，浸泡时间为30-6min。
上述技术方案中，所述研磨时间、烘干温度均可以控制在较宽的范围内，但是为了提高研磨、烘干效率，优选地，其中，所述研磨的时间为10-20min；
步骤3)中所述烘干温度为20-60℃。
本发明中还提供了一种上述制备方法制得纤维增强陶瓷型芯组合物。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
制备例1
1)将沃兰处理剂与水按照1：85的重量比进行混合制得处理液；
2)将玄武岩纤维放入所述处理液中在30℃下浸泡60min后研磨10min并搅拌；
3)接着，进行过滤、在30℃烘干后再次放入所述处理液中进行二次浸泡(在30℃下浸泡60min)、并过滤、60℃烘干得到预处理玄武岩纤维；
4)将上述预处理玄武岩纤维先后依次进行致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化后即制得所述改性玄武岩纤维，记作w1；
其中，所述致密化物理改性处理至少满足以下条件：在空气介质中、于140℃温度下、施以+1％伸长率的牵伸，处理时间为10min；
预氧化至少满足以下条件：在空气介质中、于200℃温度下、施以+2％伸长率的牵伸，处理时间为150min；
低温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下、施以-3％伸长率的牵伸、在500℃温度下碳化10min；
高温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下，施以+1％伸长率的牵伸下、在1400℃温度下碳化3min。
制备例2
1)将牌号为kh560的偶联剂与水按照1：98的重量比进行混合制得处理液；
2)将玄武岩纤维放入所述处理液中在45℃下浸泡40min后研磨15min并搅拌；
3)接着，进行过滤、在50℃烘干后再次放入所述处理液中进行二次浸泡(在45℃下浸泡40min)、并过滤、60℃烘干得到预处理玄武岩纤维；
4)将上述预处理玄武岩纤维先后依次进行致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化后即制得所述改性玄武岩纤维，记作w2；
其中，所述致密化物理改性处理至少满足以下条件：在空气介质中、于180℃温度下、施以+3％伸长率的牵伸，处理时间为7min；
预氧化至少满足以下条件：在空气介质中、于250℃温度下、施以+5％伸长率的牵伸，处理时间为120min；
低温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下、施以+5％伸长率的牵伸、在550℃温度下碳化6min；
高温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下，施以+5％伸长率的牵伸下、在1430℃温度下碳化1.5min。
制备例3
1)将牌号为kh550的偶联剂与水按照1：100的重量比进行混合制得处理液；
2)将玄武岩纤维放入所述处理液中在60℃下浸泡40min后研磨15min并搅拌；
3)接着，进行过滤、在50℃烘干后再次放入所述处理液中进行二次浸泡(在60℃下浸泡40min)、并过滤、60℃烘干得到预处理玄武岩纤维；
4)将上述预处理玄武岩纤维先后依次进行致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化后即制得所述改性玄武岩纤维，记作w3；
其中，所述致密化物理改性处理至少满足以下条件：在空气介质中、于200℃温度下、施以+1％伸长率的牵伸，处理时间为2min；
预氧化至少满足以下条件：在空气介质中、于300℃温度下、施以+10％伸长率的牵伸，处理时间为100min；
低温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下、施以+10％伸长率的牵伸、在600℃温度下碳化2min；
高温碳化至少满足以下条件：在氮气气氛的保护下，施以+5％伸长率的牵伸下、在1450℃温度下碳化0.2min。
制备例4
按照实施例1的方法制得改性玄武岩纤维，记作w4；不同的是在对酸铝陶瓷纤维先后依次进行致密化物理改性处理、预氧化、低温碳化和高温碳化之前未对陶瓷纤维进行处理液浸泡的预处理。
制备例5
按照实施例1的方法制得改性玄武岩纤维，记作w5；不同的是未进行致密化物理改性处理。
制备例6
按照实施例1的方法制得改性玄武岩纤维，记作w6；不同的是未进行预氧化处理。
制备例7
按照实施例1的方法制得改性玄武岩纤维，记作w7；不同的是未进行低温碳化。
制备例8
按照实施例1的方法制得改性玄武岩纤维，记作w8；不同的是未进行高温碳化。
实施例1
将改性玄武岩纤维w1、剑麻纤维、莫来石纤维、氧化硅、氧化锆、氧化钙、石蜡和萜烯树脂按照100：5：1：200：50：20：150：100的重量比进行混合、在110℃搅拌6h得到浆料；将所述浆料注入陶瓷型芯模具中进行压注，接着选择升温速率为5℃/min：自室温下升温至200℃焙烧4h；接着升温至400℃并焙烧4h；再升温至800℃并保温5h，最后在1000℃焙烧8h制得得陶瓷型芯胚体；最后，将所述陶瓷型芯胚体浸入硅溶胶溶液中后烘干即得纤维增强陶瓷型芯，记作a1；
将制得的纤维增强陶瓷型芯a1按照国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为25mpa。
实施例2
将改性玄武岩纤维w2、剑麻纤维、莫来石纤维、氧化硅、氧化锆、氧化钙、石蜡和萜烯树脂按照100：8：3：250：55：30：250：150的重量比进行混合、在130℃搅拌4h得到浆料；将所述浆料注入陶瓷型芯模具中进行压注，接着选择升温速率为8℃/min：自室温下升温至210℃焙烧3h；接着升温至500℃并焙烧5h；再升温至830℃并保温4h，最后在1100℃焙烧7h制得得陶瓷型芯胚体；最后，将所述陶瓷型芯胚体浸入硅溶胶溶液中后烘干即得纤维增强陶瓷型芯，记作a2；
将制得的纤维增强陶瓷型芯a2按照国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为23mpa。
实施例3
将改性玄武岩纤维w3、剑麻纤维、莫来石纤维、氧化硅、氧化锆、氧化钙、石蜡和萜烯树脂按照100：10：5：300：60：50：300：200的重量比进行混合、在150℃搅拌2h得到浆料；将所述浆料注入陶瓷型芯模具中进行压注，接着选择升温速率为10℃/min：自室温下升温至220℃焙烧2h；接着升温至600℃并焙烧4h；再升温至850℃并保温4h，最后在1200℃焙烧6h制得得陶瓷型芯胚体；最后，将所述陶瓷型芯胚体浸入硅溶胶溶液中后烘干即得纤维增强陶瓷型芯，记作a3；
将制得的纤维增强陶瓷型芯a3按照国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为23mpa。
对比例1
按照实施例的方法制得纤维增强陶瓷型芯d1，不同的是将w4代替w1，并根据国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为16mpa。
对比例2
按照实施例的方法制得纤维增强陶瓷型芯d2，不同的是将w5代替w1，并根据国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为11mpa。
对比例3
按照实施例的方法制得纤维增强陶瓷型芯d3，不同的是将w6代替w1，并根据国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为14mpa。
对比例4
按照实施例的方法制得纤维增强陶瓷型芯d4，不同的是将w7代替w1，并根据国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为11mpa。
对比例5
按照实施例的方法制得纤维增强陶瓷型芯d5，不同的是将w8代替w1，并根据国标gb/t23805-2009测得其在室温下的拉伸强度为12mpa。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。