一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法
【专利摘要】本发明涉及高温合金真空炉精密铸造领域，具体涉及一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法。此模壳为复合壳型，包括面层以及通过添加异形截面短切碳纤维改性的背层。其制作步骤包括：分别制备面层浆料与背层浆料；在背层浆料中添加预先分散均匀的短切碳纤维；分别用面层浆料、背层浆料给面层、背层挂浆，淋砂；重复以上挂浆、淋砂操作，直到预定层数；用面层浆料封浆，模壳脱蜡；焙烧后随炉冷却。本发明所制得模壳纤维分散均匀且不易拔出失效，增加了模壳强度，减少了模壳厚度，增强了模壳的散热性能，实现了薄壁高强的性能要求，提高了单晶叶片成品率。
【专利说明】
一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及高温合金真空炉精密铸造领域，具体涉及一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法。
【背景技术】
[0002]通过定向凝固技术制备高温合金柱状晶/单晶组织，是航空发动机涡轮叶片及燃气轮机叶片制造中的关键技术;为了获得优质的高温合金叶片，要求陶瓷型壳有足够的强度和优良的散热性能，生产中常用的模壳增强方法是增加模壳层数，但此方法明显与定向凝固工艺中通过减少模壳厚度提高温度梯度的技术要求相悖。
[0003]碳纤维的轴向强度和模量高，比热介于非金属和金属之间，性能稳定，适合将其应用于模壳制备以改善强度与散热性能；中国专利文献号CN103252448A记载了 “一种用于单晶叶片制造的薄壁高强度模壳制备方法”，该方法是采用连续碳纤维布包覆焙烧后的模壳以增加强度，此方法虽然有一定增强效果，但只能强化模壳表面的散热能力，并不能解决厚模壳本身的巨大热阻问题，另外，此方法有工艺复杂、碳纤维布成本高等缺点。
[0004]中国专利文献号CN103192062A记载了“一种用于高温合金单晶叶片制造的模壳”，该模壳的背层直接采用热的良导体材料如碳化硅或石墨的粉体作为背砂制得，此模壳的导热能力大大提高，但是其背层强度下降明显，另外由于石墨易氧化，焙烧工艺复杂。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的问题是，针对现有技术不足，提供一种工艺简单、周期短、强度高、散热性好的模壳制备方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采取的技术解决方案如下:
[0007](I)制备含有短切异形截面碳纤维的背层浆料:首先，将市售短切异形截面碳纤维放入硅溶胶中润湿，用斜桨式搅拌器搅拌使其在硅溶胶中分散均匀；其次，用L型混浆桶制备背层浆料，然后把混合异形截面短切碳纤维的硅溶胶倒入背层浆料桶，连续搅拌使纤维分散均匀，到含有短切异形截面碳纤维的背层浆料。
[0008]所述市售短切异形截面碳纤维与硅溶胶的质量比为1:20。
[0009]所述背层浆料中，耐火粉料与硅溶胶的质量比保持2:1?3:1之间。
[0010](2)制备面层浆料，面层浆料中耐火粉料与硅溶胶质量比3:1。
[0011](3)面层、过渡层挂浆、淋砂:将面层浆料粘度调节为35?45秒，将组装好的清洁干燥后的蜡模竖直浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，下次挂浆前，吹尽浮砂，过渡层挂浆、淋砂同面层。
[0012]步骤(3)中所述面层为2层，过渡层为I层。
[0013](4)背层挂浆、淋砂:用步骤(I)中制备的含有短切异形截面碳纤维的背层浆料进行挂浆，将含有短切异形截面碳纤维的背层浆料粘度调节为20?30秒，将蜡模浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀;挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，下次挂浆前，吹尽浮砂。
[0014](5)重复步骤(5)直到预定层数。
[0015](6)封楽、脱錯、焙烧。
[0016]步骤(I)中短切异形截面碳纤维，其长度为2?6毫米，其单丝横截面形状为非圆异形，如“十”或“Y”形，优选“Y”形，加入的量为每升背层浆料2克?10克。
[0017]步骤(3)、(4)中浆料每次挂浆前用混合调节剂调节浆料粘度至要求粘度范围，调节剂为硅溶胶与去离子水的混合体，混合体中胶、水体积比比为3:1，粘度测量工具为国标詹氏杯。
[0018]步骤(3)中，面层淋砂时所用不同粒度砂的质量比为，砂粒度100目:80目:60目=4:3:1，过渡层淋砂时所用不同粒度砂的质量比为，粒度60目:54目=4:3。
[0019]步骤(4)中淋砂时背层淋砂时所用不同粒度砂的质量比为，粒度60目:46目:36目= 1:5:2。
[0020]步骤(6)中封浆使用面层浆料，模壳脱蜡温度为150?160°C、脱蜡压力为0.7?
0.8MPa、脱蜡时间15?20min，脱蜡后冷却30?40分钟，模壳焙烧温度为1000?1200 °C、时间为I小时，焙烧后关闭炉体电源随炉冷却至室温，取出模壳。
[0021]由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果:
[0022]本发明通过在刚玉/硅溶胶模壳中添加异形截面短切碳纤维形成复合材料，不仅减少了模壳厚度，增加了模壳的湿强度、高温强度，而且由于模壳中添加导热性能优异的异形截面短切碳纤维，提高了模壳的散热性能，利于在铸件凝固过程中形成大的温度梯度，实现了模壳薄壁高强的性能要求。
[0023]本发明使用了异形横截面的短切碳纤维，相比传统的圆形截面碳纤维，其在模壳中结合更牢固，抗拔出能力更强，模壳增强效果更好，而且所用的短切碳纤维，在建筑行业已经广泛使用，成本低，易购买，此方法也适用于其它精密铸造壳型。
[0024]本发明在模壳原有生产工艺的基础上加以改进，对模壳原有工艺流程改变小，且本发明所制得的模壳，在能保证强度的前提下减少了模壳涂挂层数，节省了时间和制壳材料，降低了成本，提高了效率。
[0025]采用两个浆料桶，背层跟面层浆料分开，这有两个好处，首先背层加入碳纤维增大强度和散热，面层浆料中不加碳纤维可以保证铸件表面精度，其次背层、面层浆料分开省略了从面层到背层挂浆时大范围的调节粘度，有利于浆料的稳定，减少工作时间；异形截面碳纤维增强了模壳失效过程中纤维拔出的阻力，进一步提升了模壳强度;短切碳纤维预润湿保证了纤维在背层浆料中分散均匀。
【附图说明】
[0026]图1是一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制作方法流程图。
[0027]图2是异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳实物图。
[0028]图3是异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的断面扫描图；图中标示区域模壳基体受载发生局部脆性断裂，由于异形截面短切碳纤维增强体的存在，断裂部分并未脱离基体。
【具体实施方式】
[0029]以下用给出的实施例对本发明作进一步详细的描述，以完整准确的理解本发明的特点。
[0030]以下是发明人给出的一个具体的实施例。
[0031]本发明一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制作方法，包括以下步骤:
[0032](I)制备A、B两桶浆料，其中A桶为面层与过渡层浆料，B桶为背层浆料，A桶浆料刚玉粉与硅溶胶质量比为3:1，其中刚玉粉320目；B桶浆料刚玉粉与硅溶胶质量比为2:1，其中刚玉粉320目与200目质量比为4:1。
[0033](2)开A、B混浆桶(L型)，倒入硅溶胶，分别加硅溶胶质量0.1%的润湿剂、消泡剂，搅拌10分钟，然后将刚玉粉均匀撒入浆桶，每次加入量不大于5千克，每次间隔2小时以上。
[0034](3)A、B桶浆料刚玉粉添加完毕后，连续搅拌5小时，A、B桶浆料每次挂浆前用硅溶胶与去离子水的混合体调节浆料粘度至要求粘度值，混合体中胶、水体积比为3:1，粘度测量工具为国标詹氏杯。
[0035](4)将“Y”形异形截面短切碳纤维用20倍重量的硅溶胶润湿，碳纤维加入量为每升背层浆料2克，用机械搅拌器搅拌15分钟，使其在硅溶胶中分散均匀，然后把混合异形截面短切碳纤维的硅溶胶倒入B桶，连续搅拌5小时。
[0036](5)面层、过渡层挂浆:将A桶浆料粘度调节为40秒，将组装好的蜡模(要求彻底清洁干燥)竖直浸入A桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀。
[0037](6)淋砂:挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，下次挂浆前，吹尽浮砂，面层挂砂为2层，过渡层为I层，面层砂粒度100目、80目、60目质量比为4:3:1，过渡层砂粒度60目、54目质量比为4:3。
[0038](7)背层挂浆:将B桶浆料粘度调节为25秒，将蜡模浸入B桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀。
[0039](8)背层淋砂同步骤(6)，背层砂粒度60目、46目、36目质量比为1:5:2，挂砂3层。
[0040](9)每次挂楽、淋砂操作后模壳干燥6小时。
[0041 ] (10)封浆:将蜡模浸入浆桶内，充分浸润，取出，干燥12小时。
[0042](11)模壳脱蜡:将模壳放入脱蜡釜，设定脱蜡温度为160 0C、脱蜡压力为0.75MPa、脱錯时间15min，脱錯后冷却30分钟。
[0043](12)模壳焙烧:将模壳放入箱式焙烧炉，焙烧温度为1200 V、时间为I小时，焙烧后关闭炉体电源随炉冷却至室温，取出模壳；
[0044](13)根据以上工艺制作的片状模壳试样，使用型砂测定仪测试其三点弯强度，湿强度为2.7MPa，相对应的未加碳纤维增强的试样湿强度为1.4MPa，加入圆形截面碳纤维的试样湿强度为2.4MPa。
[0045]烧结强度为4.9MPa，相对应的未加碳纤维增强的试样烧结强度为2.3MPa，加入圆形截面碳纤维的试样烧结强度为4.7MPa，增强效果明显;测定其热阻，比未加碳纤维试样下降约15%，散热性能也有改善。
[0046]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，模壳为复合壳型，包括面层以及通过添加异形截面短切碳纤维改性的背层，其特征在于具体步骤如下: (1)分别制备面层浆料与背层浆料； (2)在背层浆料中添加预先润湿分散均匀的异形截面短切碳碳纤维； (3)浆料每次使用前用混合调节剂调节浆料粘度； (4)用面层浆料给面层、过渡层挂浆，淋砂，用背层浆料给背层挂浆，淋背砂； (5)重复以上挂浆，淋砂操作，直到预定层数； (6)用面层浆料封浆，干燥、脱蜡、焙烧。2.如权利要求1所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于:每次挂浆、淋砂操作后模壳干燥6小时；用面层浆料封浆后干燥12小时。3.如权利要求1所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于在背层浆料中添加预先润湿分散均匀的异形截面短切碳碳纤维指:首先，将市售短切异形截面碳纤维放入硅溶胶中润湿，用斜桨式搅拌器搅拌使其在硅溶胶中分散均匀;其次，用L型混浆桶制备背层浆料，然后把混合异形截面短切碳纤维的硅溶胶倒入背层浆料桶，连续搅拌使纤维分散均匀，到含有短切异形截面碳纤维的背层浆料。4.如权利要求3所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于:所述市售短切异形截面碳纤维与硅溶胶的质量比为1:20，所述背层浆料中，耐火粉料与娃溶胶的质量比保持2:1?3:1之间。5.如权利要求1、3或4所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于:所述短切异形截面碳纤维，其长度为2?6毫米，其单丝横截面形状为非圆异形，加入的量为每升背层浆料2克?10克。6.如权利要求5所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于:所述短切异形截面碳纤维的单丝横截面形状为“十”或“Y”形，优选“Y”形。7.如权利要求1所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于用面层浆料给面层、过渡层挂浆，淋砂指:将面层浆料粘度调节为35?45秒，将组装好的清洁干燥后的蜡模竖直浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀;挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，下次挂浆前，吹尽浮砂，过渡层挂浆、淋砂同面层；所述面层为2层，过渡层为I层;面层淋砂时所用不同粒度砂的质量比为，砂粒度100目:80目:60目=4:3:1，过渡层淋砂时所用不同粒度砂的质量比为，粒度60目:54目=4:3。8.如权利要求1所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于用背层浆料给背层挂浆，淋背砂指:用制备的含有短切异形截面碳纤维的背层浆料进行挂浆，将含有短切异形截面碳纤维的背层浆料粘度调节为20?30秒，将蜡模浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，下次挂浆前，吹尽浮砂;背层淋砂时所用不同粒度砂的质量比为，粒度60目:46目:36目= 1:5:2。9.如权利要求1所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于:浆料每次挂浆前用混合调节剂调节浆料粘度至要求粘度范围，调节剂为硅溶胶与去离子水的混合体，混合体中胶、水体积比比为3:1，粘度测量工具为国标詹氏杯。10.如权利要求1所述的一种异形截面短切碳纤维改性陶瓷模壳的制备方法，其特征在于:步骤(6)中封浆使用面层浆料，模壳脱蜡温度为150?160°C、脱蜡压力为0.7?0.8MPa、脱蜡时间15?20min，脱蜡后冷却30?40分钟，模壳焙烧温度为1000?1200°C、时间为I小时，焙烧后关闭炉体电源随炉冷却至室温，取出模壳。
【文档编号】B22C9/04GK105834361SQ201610203532
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】赵玉涛, 张弛, 马德新, 贾志宏, 梁向锋, 张钊, 谢道存
【申请人】江苏大学, 江苏晶海新材料科技有限公司