一種氧化鑭基陶瓷型芯的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高溫合金技術領域用陶瓷型芯的開發及制備方法，特別是提供了一種氧化鑭基陶瓷型芯的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代航空工業的發展，航空發動機需要采用更為先進的冷卻系統，這就對渦輪葉片的承溫能力有了更高的要求。目前主要通過兩種途徑來提高渦輪葉片的承溫能力，一是提高高溫合金本身的承溫能力，二是采用葉片冷卻技術來降低葉片的溫度。近年來，通過改變高溫合金本身來提高其承溫能力也取得了較大成果，然而與葉片的需求和性能要求相比，這遠遠是不夠的。因此，不斷的改善葉片的氣冷結構來提高其冷卻效率成為了航空發動機發展所追求的目標。
[0003]陶瓷型芯作為熔模鑄造空心鑄件的轉接件，是用來形成空心鑄件的復雜內腔結構。隨著高效氣冷葉片的發展，葉片的冷卻通道極其復雜，而且結構比較細微，這對形成其復雜內腔結構的陶瓷型芯有著更高的要求。陶瓷型芯必須具有足夠高的室溫和高溫強度，壓蠟時以抵抗高壓、高速、高粘度蠟液的沖擊，澆注時要承受高溫金屬液的機械沖擊和靜壓力。澆注后，由于葉片內腔結構的復雜性和精細性，決定了陶瓷型芯需要使用化學方法脫除，這就要求陶瓷型芯具有高的孔隙率，使脫芯液能夠順利的到達型芯的內部，容易與型芯反應從而將其脫除。然而，對于結構復雜精細的陶瓷型芯，其要求較高的強度，這就需要其具有高的致密度，可是高的致密度會導致后續型芯的脫除更加困難;致密度低，型芯的強度自然會低，在澆注過程中又難以保證鑄件尺寸的完整性。這兩者之間的矛盾性制約著陶瓷型芯產業的快速發展，對陶瓷型芯的后續開發提出了更高的要求。
[0004]氧化鑭作為一種稀有金屬氧化物，因其具有良好的物理化學性質，在民用、軍事和高科技領域已得到了較為廣泛的應用。氧化鑭的熔點為2315°C，遠高于氧化硅的熔點1710°C，也高于氧化鋁的熔點2050°C，因而可以在較高的澆注溫度下使用。由于氧化鑭難以燒結，為了提高其燒結性能和降低燒結溫度，可在坯料中添加適量的添加劑，如二氧化硅、氧化鎂、氧化鋁或氧化釔等。氧化硅屬于酸性氧化物，易溶于堿溶液，能夠容易的脫除，但是氧化硅基陶瓷型芯使用溫度不能超過1550°C，超過這個溫度會與高溫合金中的活性元素反應。氧化鋁為中性氧化物，化學性質穩定，在堿液中溶解能力差，脫芯非常困難，這又制約著氧化鋁基陶瓷型芯的進一步使用與發展。燒結后的氧化鑭基陶瓷型芯具有高的強度，完全能夠滿足更高溫度下的澆注，而且氧化鑭粉末在露置于空氣中易吸收二氧化碳和水，逐漸變成碳酸鑭，也易溶于稀的無機酸，更為可觀的是燒結后的氧化鑭基陶瓷型芯，在成分控制范圍內可在沸水中短時間內實現完全碎解，繼而脫除，不會對鑄件或高溫合金葉片產生破壞性作用。這種氧化鑭基陶瓷型芯有望得到更為廣泛的應用。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有的技術缺點，提供一種氧化鑭基陶瓷型芯的制備方法，滿足高溫合金空心葉片的制備，以期獲得在具有精細復雜結構的空心渦輪葉片上使用。采用該方法制備的氧化鑭基陶瓷型芯具有高的強度，高的成品率，且易于在后續階段脫除，非常適于大規模的工業化生產。
[0006]為了達到上述發明目的，本發明采用下述技術方案:
一種氧化鑭基陶瓷型芯的制備方法，其特征在于具有如下的過程和步驟:
(a)將氧化鑭粉末和添加劑粉末進行球磨混合，添加劑粉末為氧化硅、或氧化鋁、或氧化鎂、或氧化釔;其添加量為粉末混合物總質量的10?20wt%;球料比為2:1，球磨混合時間為12?36h;混合完成后，在120°C下干燥處理24h;在石蠟于60?100°C熔化后，逐漸加入獲得的陶瓷粉末混合物，機械攪拌速度10?60rpm/min，攪拌時間12?36h，直至攪拌均勾，獲得復合陶瓷型芯漿料；
(b)將獲得的陶瓷型芯漿料溫度保持在80?90°C，采用注射成型方法進行陶瓷型芯的制備，注射壓力為10?25Mpa，保壓時間為30?60s;
(c)對氧化鑭基陶瓷型芯采用埋粉燒結方式進行燒結，埋粉填料為工業氧化鑭，將裝有型芯和埋粉填料的匣缽放入廂式電阻爐進行燒結，燒結環境為空氣氣氛，終燒溫度為1200?15500C，保溫時間為2?12h，之后隨爐冷卻，獲得氧化鑭基陶瓷型芯。
[0007](d)將燒結好的氧化鑭基陶瓷型芯真空分裝或惰性氣氛保護下保存，隔絕與空氣中的水分和二氧化碳接觸，直至使用。
相對于現有技術，本發明的氧化鑭基陶瓷型芯具有顯而易見的特點和顯著優點:
(I)本發明所制備的氧化鑭基陶瓷型芯具有高的強度，適合于更高澆注溫度的使用。而且與傳統注射成型方法結合，可操做性強，利于規模化生產。
[0008](2)制備的氧化鑭基陶瓷型芯容易脫除，在沸水中能在很短的時間內完全脫除，不會對葉片廣生破壞，提尚廣品合格率，降低型芯的脫除時間，提尚生廣效率。
[0009]【具體實施方式】:
實施例一
將基體氧化鑭粉末與添加劑氧化硅粉末進行球磨混合，氧化硅的添加量為10wt%(相對于粉末混合物總質量)，球料比為2:1，球磨24h，混合完成后，在120°C下干燥處理24h，在石蠟于90°C熔化后，逐漸加入獲得的陶瓷粉末混合物，機械攪拌24h，獲得氧化鑭基復合陶瓷漿料;采用注射成型方法，將氧化鑭基陶瓷漿料維持在90°C，注射壓力為15Mpa，保壓時間60s，獲得所需形狀的氧化鑭基陶瓷型芯;將氧化鑭基陶瓷型芯放置于匣缽內的工業氧化鑭填料中，再將匣缽置于廂式電阻爐中進行燒結，終燒溫度為1500°C，保溫時間為10h，隨爐冷卻，獲得氧化鑭基陶瓷型芯，之后將其真空分裝保存，避免與空氣接觸，直至使用。
[0010]實施例二
將基體氧化鑭粉末與添加劑氧化鋁粉末進行球磨混合，氧化鋁的添加量為15wt%(相對于粉末混合物總質量)，球料比為2:1，球磨24h，混合完成后，在120°C下干燥處理24h，在石蠟于90°C熔化后，逐漸加入獲得的陶瓷粉末混合物，機械攪拌24h，獲得氧化鑭基復合陶瓷漿料;采用注射成型方法，將氧化鑭基陶瓷漿料維持在90°C，注射壓力為15Mpa，保壓時間60s，獲得所需形狀的氧化鑭基陶瓷型芯;將氧化鑭基陶瓷型芯放置于匣缽內的工業氧化鑭填料中，再將匣缽置于廂式電阻爐中進行燒結，終燒溫度為1500°C，保溫時間為10h，隨爐冷卻，獲得氧化鑭基陶瓷型芯，之后將其真空分裝保存，避免與空氣接觸，直至使用。
[0011]實施例三
將基體氧化鑭粉末與添加劑氧化鎂粉末進行球磨混合，氧化鎂的添加量為10wt%(相對于粉末混合物總質量)，球料比為2:1，球磨24h，混合完成后，在120°C下干燥處理24h，在石蠟于90°C熔化后，逐漸加入獲得的陶瓷粉末混合物，機械攪拌24h，獲得氧化鑭基復合陶瓷漿料;采用注射成型方法，將氧化鑭基陶瓷漿料維持在90°C，注射壓力為15Mpa，保壓時間60s，獲得所需形狀的氧化鑭基陶瓷型芯;將氧化鑭基陶瓷型芯放置于匣缽內的工業氧化鑭填料中，再將匣缽置于廂式電阻爐中進行燒結，終燒溫度為1550°C，保溫時間為10h，隨爐冷卻，獲得氧化鑭基陶瓷型芯，之后將其真空分裝保存，避免與空氣接觸，直至使用。
[0012]實施例四
將基體氧化鑭粉末與添加劑氧化釔粉末進行球磨混合，氧化釔的添加量為20wt%(相對于粉末混合物總質量)，球料比為2:1，球磨24h，混合完成后，在120°C下干燥處理24h，在石蠟于90°C熔化后，逐漸加入獲得的陶瓷粉末混合物，機械攪拌24h，獲得氧化鑭基復合陶瓷漿料;采用注射成型方法，將氧化鑭基陶瓷漿料維持在90°C，注射壓力為15Mpa，保壓時間60s，獲得所需形狀的氧化鑭基陶瓷型芯;將氧化鑭基陶瓷型芯放置于匣缽內的工業氧化鑭填料中，再將匣缽置于廂式電阻爐中進行燒結，終燒溫度為1550°C，保溫時間為10h，隨爐冷卻，獲得氧化鑭基陶瓷型芯，之后將其真空分裝保存，避免與空氣接觸，直至使用。
【主權項】
1.一種氧化鑭基陶瓷型芯的制備方法，其特征在于具有如下的過程和步驟: a.將氧化鑭粉末和添加劑粉末進行球磨混合，添加劑粉末為氧化硅、或氧化鋁、或氧化鎂、或氧化釔；其添加量為粉末混合物總質量的10?20^%;球料比為2:1，球磨混合時間為12?36h;混合完成后，在120°C下干燥處理24h;在石蠟于60?100 °C熔化后，逐漸加入獲得的陶瓷粉末混合物，機械攪拌速度10?60rpm/min，攪拌時間12?36h，直至攪拌均勾，獲得復合陶瓷型芯漿料； b.將獲得的陶瓷型芯漿料溫度保持在80?90°C，采用注射成型方法進行陶瓷型芯的制備，注射壓力為10?25Mpa，保壓時間為30?60s; c.對氧化鑭基陶瓷型芯采用埋粉燒結方式進行燒結，埋粉填料為工業氧化鑭，將裝有型芯和埋粉填料的匣缽放入廂式電阻爐進行燒結，燒結環境為空氣氣氛，終燒溫度為1200?1550°C，保溫時間為2?12h，之后隨爐冷卻，獲得氧化鑭基陶瓷型芯； d.將燒結好的氧化鑭基陶瓷型芯真空分裝或惰性氣氛保護下保存，隔絕與空氣中的水分和二氧化碳接觸，直至使用。
【專利摘要】本發明涉及一種氧化鑭基陶瓷型芯的制備方法，該方法為：將氧化鑭粉末和添加劑粉末進行球磨混合，在石蠟熔化后，逐漸加入混合后的粉末，進行機械攪拌，獲得復合陶瓷型芯漿料；接著采用注射成型方法制備出所需形狀的氧化鑭基陶瓷型芯；然后通過埋粉燒結工藝對氧化鑭基陶瓷型芯進行燒結，獲得所需的陶瓷型芯；最后需將獲得的氧化鑭基陶瓷型芯真空或惰性氣氛保護下封裝，隔絕與空氣接觸，直至使用。本發明所提供的氧化鑭基陶瓷型芯的制備工藝方法簡單，可操作性強，獲得的陶瓷型芯具有高的強度，高的成品率，能夠滿足更高澆注溫度的使用，而且在型芯脫除階段易于脫除，利于提高其效率，降低生產成本。
【IPC分類】B22C9/10, C04B35/50, B22C1/00, C04B35/622
【公開號】CN105669198
【申請號】CN201610026438
【發明人】余建波, 楊治剛, 任忠鳴, 王歡, 李景云, 鄧康
【申請人】上海大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月16日