一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯及其制備方法
【專利摘要】一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯及其制備方法。本發明涉及一種陶瓷型芯及其制備方法。本發明是為解決現有陶瓷型芯燒成收縮率大、高溫性能差的問題，產品：由陶瓷漿料和增塑劑制備而成；所述的陶瓷漿料按質量份數由石英玻璃粉、鋯英粉、分氧化釔和氧化鋁纖維混合而成；所述的增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成。方法：一、配置增塑劑；二、配置陶瓷漿料；三、制備預制料；四、制備氧化硅陶瓷型芯。本發明的氧化硅陶瓷型芯燒成收縮率為0.032％，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收縮率，收縮率降低了0.285％；其高溫撓度為0.9mm，明顯低于原來成分配比的陶瓷型芯高溫撓度，高溫撓度降低了1.86mm。操作簡單，縮短實驗時間。
【專利說明】
一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種陶瓷型芯及其制備方法。【背景技術】
[0002]隨著我國經濟的飛速發展，航空業也隨之蓬勃發展起來，對發動機的性能要求越來越高，其中有一個很重要的性能是推重比[1](發動機推力與發動機重量或飛機重量之比，它表示發動機或飛機單位重量所產生的推力)。航空發動機的葉片被稱為發動機的心臟，并且發動機葉片長時間處在及其惡劣的環境中:溫度高、應力復雜，所以推重比的大小和航空發動機的葉片的性能結構有很大的關系。為了提高推重比，很多國家都著重對發動機特別是發動機葉片進行了深入廣泛的研究，并且取得了不菲的成績。
[0003]根據經驗，渦輪前端的承受溫度每增加100°C，發動機的推力收益可以得到10%。 所以為了提高航空發動機的推力，必須提高渦輪前端(航空發動機葉片)的承受溫度的能力，單純的通過研發新材料或者通過對材料的處理已經不能夠滿足這種要求。所以現在復雜的葉片冷卻系統的研發應用日漸火熱，即采用具有復雜內腔的空心葉片，由于空心葉片內部的冷卻結構異常復雜，靠傳統的機加工、電化學方法都己無法達到要求，只有采用熔模精密鑄造技術才能解決這一問題。然而熔模精密鑄造的普通成型法(金屬陶芯和可溶陶芯) 無法形成渦輪葉片的復雜、細薄內腔，因為在模組浸涂時，耐火材料無法進入其中，撒沙、干燥等工序無法實現，只有采用陶瓷型芯才能達到這一目標。
[0004]因此，為了航空事業的進步，為了航空發動機的進步，為了在渦輪葉片上取得一定的成果，適應越來越復雜的空心葉片的冷卻系統，滿足冷卻系統對陶瓷型芯在結構和性能上的要求，研制陶瓷型芯的任務迫在眉睫。由于我國陶瓷型芯的研究起步比較晚，還處在初期階段，參考文獻不多，研究資金不足，研究人員短缺，導致生產葉片的能力不高，技術粗糙，不能夠進行高水平、商業化的生產，陶瓷型芯的生產技術都是各國的核心機密，所以擁有自主知識產權的陶瓷型芯的生產技術非常關鍵。
【發明內容】

[0005]本發明是為解決現有陶瓷型芯燒成收縮率大、高溫性能差的問題，而提供一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯及其制備方法。
[0006]本發明的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷漿料和增塑劑制備而成；
[0007]所述的陶瓷漿料與增塑劑的質量比為100: (20?25);所述的陶瓷漿料按質量份數由60?70份石英玻璃粉、20?30份鋯英粉、0.5?1.5份氧化釔和1?4份氧化鋁纖維混合而成;其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):3， 其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):2;其中所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為(2?4):1;
[0008]所述的增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成;所述的石蠟與蜂蠟的質量比為(15 ?22):1;其中所述的石蠟與聚乙烯的質量比為(45?48): 1。
[0009]本發明的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法按以下步驟進行:
[0010]一、配置增塑劑:將石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合均勻，得到增塑劑;所述的石蠟與蜂蠟的質量比為(15?22): 1;所述的石蠟與聚乙烯的質量比為(45?48): 1;[〇〇11]二、配置陶瓷漿料:按質量份數將60?70份石英玻璃粉、20?30份鋯英粉、0.5? 1.5份分析純氧化釔和1?4份氧化鋁纖維攪拌均勻后放在保溫箱中在溫度為80?100°C的條件下保溫2h?4h，得到陶瓷漿料;所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):3,其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):2;所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為(2?4): 1;
[0012]三、制備預制料:將步驟二得到的陶瓷漿料加入到步驟一得到的增塑劑中，加入速度為20g/min?30g/min，在攪拌速度為60r/min?70r/min下攪拌4h?6h，得到預制料;所述的步驟二得到的陶瓷漿料與步驟一得到的增塑劑的質量比為100: (20?25);[〇〇13]四、制備氧化硅陶瓷型芯:將壓型模具預熱至溫度為80?100°C，然后將步驟三得到的預制料加入到模具中進行壓制，再燒結，得到添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯。
[0014]本發明的有益效果:
[0015]本發明產品的優點是通過新的成分配比，即同時添加氧化釔和氧化鋁纖維，可以降低陶瓷型芯的燒成收縮率并且提高型芯的高溫性能。近些年來陶瓷型芯向著形狀更復雜，尺寸更大，性能更高的方向發展，這對葉片的性能指標要求越來越高。通過實驗測試，本發明的改進的氧化硅陶瓷型芯燒成收縮率為0.032%，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收縮率， 收縮率降低了0.285%;其高溫撓度為0.9mm，明顯低于原來成分配比的陶瓷型芯高溫撓度， 高溫燒度降低了 1.86mm。[〇〇16]本發明方法的制備過程及操作簡單，漿料有很好的流動性，能大大提高陶瓷型芯的成型率【附圖說明】
[0017]圖1為試驗一得到的添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯斷口 2000倍SEM圖像；
[0018]圖2為試驗一得到的添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯高溫撓度測試照片；其中a 為添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯，b為現有陶瓷型芯。【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷漿料和增塑劑制備而成；
[0020]所述的陶瓷漿料與增塑劑的質量比為100: (20?25);所述的陶瓷漿料按質量份數由60?70份石英玻璃粉、20?30份鋯英粉、0.5?1.5份氧化釔和1?4份氧化鋁纖維混合而成;其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):2;其中所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為(2?4):1;
[0021]所述的增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成;所述的石蠟與蜂蠟的質量比為(15 ?22):1;其中所述的石蠟與聚乙烯的質量比為(45?48): 1。
[0022]本實施方式產品的優點是通過新的成分配比，即同時添加氧化釔和氧化鋁纖維， 可以降低陶瓷型芯的燒成收縮率并且提高型芯的高溫性能。近些年來陶瓷型芯向著形狀更復雜，尺寸更大，性能更高的方向發展，這對葉片的性能指標要求越來越高。通過實驗測試， 本發明的改進的氧化硅陶瓷型芯燒成收縮率為0.032%，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收縮率，收縮率降低了0.285%;其高溫撓度為0.9mm，明顯低于原來成分配比的陶瓷型芯高溫撓度，高溫撓度降低了 1.86mm。
[0023]【具體實施方式】二:本實施方式的與【具體實施方式】一不同的是:所述的陶瓷漿料與增塑劑的質量比為1〇〇: 22。其它步驟與參數與【具體實施方式】一相同。
[0024]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:所述的陶瓷漿料按質量份數由69.5份石英玻璃粉、25份鋯英粉、1.5份氧化釔和4份氧化鋁纖維混合而成;其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為5:3,其中所述的 200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為5:2;其中所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為 3:1。其它步驟與參數與【具體實施方式】一或二相同。
[0025]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:所述的增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成;其中所述的石蠟與蜂蠟的質量比為18.6:1;其中所述的石蠟與聚乙烯的質量比為46.5:1。其它步驟與參數與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0026]【具體實施方式】五:本實施方式的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法按以下步驟進行:[〇〇27] 一、配置增塑劑:將石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合均勻，得到增塑劑;所述的石蠟與蜂蠟的質量比為(15?22): 1;所述的石蠟與聚乙烯的質量比為(45?48): 1;[〇〇28]二、配置陶瓷漿料:按質量份數將60?70份石英玻璃粉、20?30份鋯英粉、0.5? 1.5份分析純氧化釔和1?4份氧化鋁纖維攪拌均勻后放在保溫箱中在溫度為80?100°C的條件下保溫2h?4h，得到陶瓷漿料;所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):3,其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):2;所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為(2?4): 1;[〇〇29]三、制備預制料:將步驟二得到的陶瓷漿料加入到步驟一得到的增塑劑中，加入速度為20g/min?30g/min，在攪拌速度為60r/min?70r/min下攪拌4h?6h，得到預制料;所述的步驟二得到的陶瓷漿料與步驟一得到的增塑劑的質量比為100: (20?25);
[0030]四、制備氧化硅陶瓷型芯:將壓型模具預熱至溫度為80?100°C，然后將步驟三得到的預制料加入到模具中進行壓制，再燒結，得到添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯。
[0031]本實施方式方法的優點是制備過程及操作簡單，漿料有很好的流動性，能大大提高陶瓷型芯的成型率，縮短實驗時間。得到的添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯燒成收縮率為0.032%，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收縮率，收縮率降低了0.285%;其高溫撓度為 0.9mm，明顯低于原來成分配比的陶瓷型芯高溫撓度，高溫撓度降低了 1.86mm。
[0032]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】五不同的是:步驟一中所述的石蠟與蜂蠟的質量比為18.6:1;所述的石蠟與聚乙烯的質量比為46.5:1。其它步驟與參數與【具體實施方式】五相同。
[0033]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】五或六不同的是:步驟二中按質量份數將69.5份石英玻璃粉、25份鋯英粉、1.5份氧化釔和4份氧化鋁纖維攪拌均勻后放在保溫箱中在溫度為90°C的條件下保溫3h，得到陶瓷漿料。其它步驟與參數與【具體實施方式】五或六相同。
[0034]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】五至七之一不同的是:步驟二中其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為5:3,其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為5:2;其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為3:1。其它步驟與參數與【具體實施方式】五至七之一相同。
[0035]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】五至八之一不同的是:步驟三中加入速度為25g/min，在攪拌速度為65r/min下攪拌5h，得到預制料。其它步驟與參數與【具體實施方式】五至八之一相同。
[0036]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】五至九之一不同的是:步驟三中所述的步驟二得到的陶瓷漿料與步驟一得到的增塑劑的質量比為100:22。其它步驟與參數與【具體實施方式】五至九之一相同。[〇〇37]用以下試驗驗證本發明的有益效果:
[0038]試驗一、本試驗的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷漿料和增塑劑制備而成；[〇〇39]所述的陶瓷漿料與增塑劑的質量比為100:22;所述的陶瓷漿料按質量份數由69.5 份石英玻璃粉、25份鋯英粉、1.5份氧化釔和4份氧化鋁纖維混合而成;其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的 200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為5:3,其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為5:2;其中所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為3:1;
[0040]所述的增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成；所述的石蠟與蜂蠟的質量比為 18.6:1;其中所述的石蠟與聚乙烯的質量比為46.5:1。
[0041]試驗二、制備如試驗一所述的一種改進的氧化鋁陶瓷型芯的方法按以下步驟進行:
[0042]—、配置增塑劑:將石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合均勻，得到增塑劑;所述的石蠟與蜂蠟的質量比為18.6:1;所述的石錯與聚乙稀的質量比為46.5:1;[〇〇43]二、配置陶瓷漿料:按質量份數將69.5份石英玻璃粉、25份鋯英粉、1.5份氧化釔和 4份氧化鋁纖維攪拌均勻后放在保溫箱中在溫度為90°C的條件下保溫3h，得到陶瓷漿料;所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為5:3,其中所述的200 目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為5:2;所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和 250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉的質量比為3:1;
[0044]三、制備預制料:將步驟二得到的陶瓷漿料加入到步驟一得到的增塑劑中，加入速度25g/min，在攪拌速度為65r/min下攪拌5h，得到預制料;所述的步驟二得到的陶瓷楽:料與步驟一得到的增塑劑的質量比為100:22;[〇〇45]四、制備氧化鋁陶瓷型芯:將壓型模具預熱至溫度為90°C，然后將步驟三得到的預制料加入到模具中進行壓制，再燒結，得到添加氧化鋁纖維的氧化鋁陶瓷型芯。[〇〇46] 采用Hel1s Nanolab600i掃描電鏡對試驗二制備的添加氧化鋁纖維的氧化鋁陶瓷型芯斷口進行掃描，得到2000倍下的SEM圖像，如圖1所示。從圖1可以看出陶瓷型芯斷口處大顆粒堆積緊密，同時又彌散著一些白色的微小顆粒這種斷口形態對提高陶瓷型芯的收縮率、室溫及高溫性能有很大的幫助。
[0047]將試驗二制備的添加氧化鋁纖維的氧化鋁陶瓷型芯與現有陶瓷型芯進行高溫撓度測試，得到如圖2所示的添加氧化鋁纖維的氧化鋁陶瓷型芯與現有陶瓷型芯的高溫撓度測試對比圖，從圖2中可以看出，試驗二得到的添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的高溫撓度明顯低于現有陶瓷型芯。其高溫撓度為0.9mm，高溫撓度降低了 1.86mm;試驗二得到的添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的收縮率低于已有氧化硅陶瓷型芯的收縮率，收縮率為 0.032%，收縮率降低了0.285 %。
【主權項】
1.一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于一種添加氧化鋁纖維的氧化硅 陶瓷型芯由陶瓷漿料和增塑劑制備而成；所述的陶瓷漿料與增塑劑的質量比為100: (20?25);所述的陶瓷漿料按質量份數由60 ?70份石英玻璃粉、20?30份鋯英粉、0.5?1.5份氧化釔和1?4份氧化鋁纖維混合而成;其 中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石英玻璃粉混 合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):3,其中 所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):2;其中所述的鋯英粉 由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉 的質量比為(2?4):1;所述的增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成；所述的石蠟與蜂蠟的質量比為(15? 22):1;其中所述的石蠟與聚乙烯的質量比為(45?48): 1。2.根據權利要求1所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的 陶瓷漿料與增塑劑的質量比為100:22。3.根據權利要求1或2所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述 的陶瓷漿料按質量份數由69.5份石英玻璃粉、25份鋯英粉、1.5份氧化釔和4份氧化鋁纖維 混合而成;其中所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400目的石 英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為5:3， 其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為5:2;其中所述的鋯英粉 由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和250目的鋯英粉 的質量比為3:1。4.根據權利要求3所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的 增塑劑由石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合而成;其中所述的石蠟與蜂蠟的質量比為18.6:1;其中所 述的石蠟與聚乙烯的質量比為46.5:1。5.—種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法，其特征在于一種添加氧化鋁纖 維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法按以下步驟進行:一、配置增塑劑:將石蠟、蜂蠟和聚乙烯混合均勻，得到增塑劑;所述的石蠟與蜂蠟的質 量比為(15?22): 1;所述的石錯與聚乙稀的質量比為(45?48): 1;二、配置陶瓷漿料:按質量份數將60?70份石英玻璃粉、20?30份鋯英粉、0.5?1.5份 氧化釔和1?4份氧化鋁纖維攪拌均勻后放在保溫箱中在溫度為80?100°C的條件下保溫2h ?4h，得到陶瓷漿料;所述的石英玻璃粉由200目的石英玻璃粉、300目的石英玻璃粉和400 目的石英玻璃粉混合而成，其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比 為(4?6):3,其中所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為(4?6):2; 所述的鋯英粉由180目的鋯英粉和250目的鋯英粉混合而成，其中所述的180目的鋯英粉和 250目的鋯英粉的質量比為(2?4): 1;三、制備預制料:將步驟二得到的陶瓷漿料加入到步驟一得到的增塑劑中，加入速度為 20g/min?30g/min，在攪拌速度為60r/min?70r/min下攪拌4h?6h，得到預制料;所述的步 驟二得到的陶瓷漿料與步驟一得到的增塑劑的質量比為100: (20?25);四、制備氧化硅陶瓷型芯:將壓型模具預熱至溫度為80?100°C，然后將步驟三得到的 預制料加入到模具中進行壓制，再燒結，得到添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯。6.根據權利要求5所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法，其特征 在于步驟一中所述的石蠟與蜂蠟的質量比為18.6:1;所述的石蠟與聚乙烯的質量比為 46.5:1〇7.根據權利要求5或6所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法，其特 征在于步驟二中按質量份數將69.5份石英玻璃粉、25份鋯英粉、1.5份氧化釔和4份氧化鋁 纖維攪拌均勻后放在保溫箱中在溫度為90°C的條件下保溫3h，得到陶瓷漿料。8.根據權利要求7所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法，其特征 在于步驟二中其中所述的200目的石英玻璃粉與300目的石英玻璃粉的質量比為5:3,其中 所述的200目的石英玻璃粉與400目的石英玻璃粉的質量比為5:2;其中所述的180目的鋯英 粉和250目的鋯英粉的質量比為3:1。9.根據權利要求7所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法，其特征 在于步驟三中加入速度為25g/min，在攪拌速度為65r/min下攪拌5h，得到預制料。10.根據權利要求7所述的一種添加氧化鋁纖維的氧化硅陶瓷型芯的制備方法，其特征 在于步驟三中所述的步驟二得到的陶瓷漿料與步驟一得到的增塑劑的質量比為100:22。
【文檔編號】C04B35/14GK106007757SQ201610339799
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】薛祥, 姚仲成
【申請人】哈爾濱工業大學