一种改进的氧化铝陶瓷型芯及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种陶瓷型芯及其制备方法。
【背景技术】
[0002]飞机是20世纪人类取得的伟大科技成就之一，使人类社会文明进步极大地得到了推动。而作为飞机“心脏”的发动机，则是推动飞机和整个航空工业蓬勃发展的源动力。在航空发动机中，由于涡轮叶片长期处于高温、复杂应力、环境极其恶劣的部位，以至于涡轮叶片性能的好坏直接关系到整个发动机性能指标的高低。涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)不仅是一种型号发动机先进程度的重要标志，另一方面，也是一个国家航空工业水平高低的显著标志。世界上已有很多国家在开展相近的研宄工作，如英国已提出的在本世纪初研制出推重比约为20的航空发动机的“先进核心发动机技术”计划。日本提出的提高先进航空发动机推重比的“工业前沿科技研宄”研宄计划。与这些航空发达国家相比，我国的航空发动机总体水平还比较落后，差I?1.5代，约25?30年，并且这种差距还有进一步扩大的趋势。所以我国研宄怎样提高发动机推重比，对推动国家航天事业的发展，缩小与世界发达国家的差距，意义重大。
[0003]为了提高发动机涡轮部件适应涡轮前进口温度不断提高的能力，必须增加涡轮空心叶片的承温能力。而单纯通过提高合金的承温能力来满足涡轮前进口温度日益提高的要求已不太可能，所以现在复杂的叶片冷却系统的研发应用日渐火热，即采用具有复杂内腔的空心叶片，由于空心叶片内部的冷却结构异常复杂，靠传统的机加工、电化学方法都己无法达到要求，只有采用熔模精密铸造技术才能解决这一问题。然而熔模精密铸造的普通成型法(金属陶芯和可溶陶芯)无法形成涡轮叶片的复杂、细薄内腔，因为在模组浸涂时，耐火材料无法进入其中，撒沙、干燥等工序无法实现，只有采用陶瓷型芯才能达到这一目标。
[0004]显然，在制造空心叶片过程中，型芯的制备尤为关键，它的性能好坏直接关系到叶片的生产质量。但目前陶瓷型芯的制造技术在各国都是核心机密，有关陶瓷型芯材料配方和关键制造技术受到专利保护，国内外相关文章甚少。而在我国，除个别航空工厂外，大部分的精铸厂还不能生产具有复杂内腔的精密铸件。同时还没有出现商品化的陶瓷型芯供应商，生产设备比较简单，工艺参数不能得到准确控制，其差距与国外相比是显而易见的，尤其是在氧化铝陶瓷型芯的脱芯性能方面，十分落后，这极大地限制了我国精铸水平的发展。
【发明内容】
[0005]本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成气孔率低、室温强度低、收缩率大、高温挠度大，脱芯困难，型芯不能适应在高温环境下使用及后期脱芯困难的问题，而提供一种改进的氧化铝陶瓷型芯及其制备方法。
[0006]本发明的一种改进的氧化铝陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；
[0007]所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100: (20?30);所述的陶瓷浆料按质量份数由5?90份刚玉粉、5?90莫来石、7?35份石英粉、I?1.5份活性石墨、I?1.5份氧化镁和0.5?I份油酸混合而成；
[0008]其中所述的刚玉粉由200目的刚玉粉、300目的刚玉粉和400目的刚玉粉混合而成，其中所述的200目的刚玉粉与300目的刚玉粉的质量比为(3?7):3，其中所述的200目的刚玉粉与400目的刚玉粉的质量比为(3?7):2 ;
[0009]其中所述的莫来石粉由200目的莫来石粉、320目的莫来石粉和400目的莫来石粉混合而成；其中所述的200目的莫来石粉与320目的莫来石粉的质量比为2: (3?7);其中所述的400目莫来石粉与320目的莫来石粉的质量比为3: (3?7);
[0010]其中所述的石英粉为200目的石英粉；
[0011]所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；
[0012]其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15?22):1 ;其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45?48):1。
[0013]本发明的一种改进的氧化铝陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行:
[0014]一、配置增塑剂:将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂；
[0015]步骤一中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15?22):1 ;步骤一中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45?48):1 ；
[0016]二、配置陶瓷浆料:按质量份数将5?90份刚玉粉、5?90莫来石、7?35份石英粉、I?1.5份活性石墨、I?1.5份氧化镁和0.5?I份油酸搅拌均匀后放在保温箱中在温度为80?100°C的条件下保温2h?4h，得到陶瓷浆料；
[0017]步骤二中所述的刚玉粉由200目的刚玉粉、300目的刚玉粉和400目的刚玉粉混合而成，其中所述的200目的刚玉粉与300目的刚玉粉的质量比为(3?7):3，其中所述的200目的刚玉粉与400目的刚玉粉的质量比为(3?7):2 ;
[0018]步骤二中所述的莫来石粉由200目的莫来石粉、320目的莫来石粉和400目的莫来石粉混合而成；其中所述的200目的莫来石粉与320目的莫来石粉的质量比为2: (3?7);其中所述的400目莫来石粉与320目的莫来石粉的质量比为3: (3?7);
[0019]步骤二中所述的石英粉为200目的石英粉；
[0020]三、制备预制料:将步骤二得到的陶瓷浆料加入到步骤一得到的增塑剂中，加入速度为60g/min?120g/min，在搅拌速度为60r/min?70r/min下搅拌7h?9h，得到预制料；
[0021]步骤三中所述的步骤二得到的陶瓷浆料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:(20 ?30)；
[0022]四、制备氧化铝陶瓷型芯:将压型模具预热至温度为80?100°C，然后将步骤三得到的预制料加入到模具中进行压制，再烧结，得到改进的氧化铝陶瓷型芯。
[0023]本发明的有益效果:
[0024]本发明的氧化铝陶瓷型芯的优点是通过新的成分配比，即同时添加莫来石，可以降低陶瓷型芯的烧成收缩率并且提高型芯的室温强度，并配合合适的高温强化措施显著的减少陶瓷型芯的高温挠度；石英粉和活性石墨的加入，大大增加了气孔率，显著提高了型芯的脱芯效率。近些年来陶瓷型芯向着形状更复杂，尺寸更大，性能更高的方向发展，这对叶片的性能指标要求越来越高。通过实验测试，本发明的改进的氧化铝陶瓷型芯其气孔率为47.78%，远高于已有的氧化铝陶瓷型芯的气孔率；室温强度为26.45Mpa，也远高于已有的氧化铝陶瓷型芯的室温强度；烧成收缩率为0.58%，低于已有氧化铝陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了 2.52%，同时经高温强化后其高温挠度为0.23，明显低于原来成分配比的陶瓷型芯高温挠度，高温挠度降低了 6.77mm ;最重要的一点是脱芯性能明显提高，碱煮1.5小时，基本腐蚀殆尽，完全符合生产要求。
[0025]同时本发明方法的制备过程及操作简单，浆料有很好的流动性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，缩短实验时间。
【附图说明】
[0026]图1为试验一得到的改进的氧化铝陶瓷型芯断口 1000倍SEM图像；
[0027]图2为试验一得到的改进的氧化铝陶瓷型芯与现有陶瓷型芯高温挠度测试后照片；其中a为现有陶瓷型芯，b为试验一得到的改进的氧化铝陶瓷型芯；
[0028]图3为压铸成型的陶瓷型芯件。
【具体实施方式】
[0029]【具体实施方式】一:本实施方式的一种改进的氧化铝陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；
[0030]所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100: (20?30);所述的陶瓷浆料按质量份数由5?90份刚玉粉、5?90莫来石、7?35份石英粉、I?1.5份活性石墨、I?1.5份氧化镁和0.5?I份油酸混合而成；
[0031]其中所述的刚玉粉由200目的刚玉粉、300目的刚玉粉和400目的刚玉粉混合而成，其中所述的200目的刚玉粉与300目的刚玉粉的质量比为(3?7):3，其中所述的200目的刚玉粉与400目的刚玉粉的质量比为(3?7):2 ;
[0032]其中所述的莫来石粉由200目的莫来石粉、320目的莫来石粉和400目的莫来石粉混合而成；其中所述的200目的莫来石粉与320目的莫来石粉的质量比为2: (3?7);其中所述的400目莫来石粉与320目的莫来石粉的质量比为3: (3?7);
[0033]其中所述的石英粉为200目的石英粉；
[0034]所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；
[0035]其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15?22):1 ;其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45?48):1。
[0036]本实施方式中所述的活性石墨、氧化镁和油酸均为市售产品。
[0037]本实施方式的氧化铝陶瓷型芯的优点是通过新的成分配比，即同时添加莫来石，可以降低陶瓷型芯的烧成收缩率并且提高型芯的室温强度，并配合合适的高温强化