一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法
【专利摘要】一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法。本发明涉及一种陶瓷型芯及其制备方法。本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成收缩率大、高温性能差的问题，产品：由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料按质量份数由石英玻璃粉、锆英粉、分氧化钇和氧化铝纤维混合而成；所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成。方法：一、配置增塑剂；二、配置陶瓷浆料；三、制备预制料；四、制备氧化硅陶瓷型芯。本发明的氧化硅陶瓷型芯烧成收缩率为0.032％，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.285％；其高温挠度为0.9mm，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1.86mm。操作简单，缩短实验时间。
【专利说明】
一种添加氧化铝纤维的氧化硅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]随着我国经济的飞速发展，航空业也随之蓬勃发展起来，对发动机的性能要求越来越高，其中有一个很重要的性能是推重比[1](发动机推力与发动机重量或飞机重量之比，它表示发动机或飞机单位重量所产生的推力)。航空发动机的叶片被称为发动机的心脏，并且发动机叶片长时间处在及其恶劣的环境中:温度高、应力复杂，所以推重比的大小和航空发动机的叶片的性能结构有很大的关系。为了提高推重比，很多国家都着重对发动机特别是发动机叶片进行了深入广泛的研究，并且取得了不菲的成绩。
[0003]根据经验，涡轮前端的承受温度每增加100°C，发动机的推力收益可以得到10%。 所以为了提高航空发动机的推力，必须提高涡轮前端(航空发动机叶片)的承受温度的能力，单纯的通过研发新材料或者通过对材料的处理已经不能够满足这种要求。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]因此，为了航空事业的进步，为了航空发动机的进步，为了在涡轮叶片上取得一定的成果，适应越来越复杂的空心叶片的冷却系统，满足冷却系统对陶瓷型芯在结构和性能上的要求，研制陶瓷型芯的任务迫在眉睫。由于我国陶瓷型芯的研究起步比较晚，还处在初期阶段，参考文献不多，研究资金不足，研究人员短缺，导致生产叶片的能力不高，技术粗糙，不能够进行高水平、商业化的生产，陶瓷型芯的生产技术都是各国的核心机密，所以拥有自主知识产权的陶瓷型芯的生产技术非常关键。
【发明内容】
[0005]本发明是为解决现有陶瓷型芯烧成收缩率大、高温性能差的问题，而提供一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯及其制备方法。
[0006]本发明的一种添加氧化铝纤维的氧化硅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?25);所述的陶瓷浆料按质量份数由60?70份石英玻璃粉、20?30份锆英粉、0.5?1.5份氧化钇和1?4份氧化铝纤维混合而成;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):3， 其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):2;其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2?4):1;
[0008]所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成;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。
[0009]本发明的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行:
[0010]一、配置增塑剂:将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂;所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15?22): 1;所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45?48): 1;[〇〇11]二、配置陶瓷浆料:按质量份数将60?70份石英玻璃粉、20?30份锆英粉、0.5? 1.5份分析纯氧化钇和1?4份氧化铝纤维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;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):3,其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):2;所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2?4): 1;
[0012]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20g/min?30g/min，在搅拌速度为60r/min?70r/min下搅拌4h?6h，得到预制料;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?25);[〇〇13]四、制备氧化硅陶瓷型芯: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，得到添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯。
[0014]本发明的有益效果:
[0015]本发明产品的优点是通过新的成分配比，即同时添加氧化钇和氧化铝纤维，可以降低陶瓷型芯的烧成收缩率并且提高型芯的高温性能。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硅陶瓷型芯烧成收缩率为0.032%，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率， 收缩率降低了0.285%;其高温挠度为0.9mm，明显低于原来成分配比的陶瓷型芯高温挠度， 高温烧度降低了 1.86mm。[〇〇16]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【附图说明】
[0017]图1为试验一得到的添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯断口 2000倍SEM图像；
[0018]图2为试验一得到的添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯高温挠度测试照片；其中a 为添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯，b为现有陶瓷型芯。【具体实施方式】
[0019]【具体实施方式】一:本实施方式的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；
[0020]所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100: (20?25);所述的陶瓷浆料按质量份数由60?70份石英玻璃粉、20?30份锆英粉、0.5?1.5份氧化钇和1?4份氧化铝纤维混合而成;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):3，其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):2;其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2?4):1;
[0021]所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成;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。
[0022]本实施方式产品的优点是通过新的成分配比，即同时添加氧化钇和氧化铝纤维， 可以降低陶瓷型芯的烧成收缩率并且提高型芯的高温性能。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硅陶瓷型芯烧成收缩率为0.032%，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.285%;其高温挠度为0.9mm，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 1.86mm。
[0023]【具体实施方式】二:本实施方式的与【具体实施方式】一不同的是:所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为1〇〇: 22。其它步骤与参数与【具体实施方式】一相同。
[0024]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述的陶瓷浆料按质量份数由69.5份石英玻璃粉、25份锆英粉、1.5份氧化钇和4份氧化铝纤维混合而成;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3,其中所述的 200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2;其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为 3:1。其它步骤与参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0025]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是:所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成;其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1;其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。其它步骤与参数与【具体实施方式】一至三之一相同。
[0026]【具体实施方式】五:本实施方式的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行:[〇〇27] 一、配置增塑剂:将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂;所述的石蜡与蜂蜡的质量比为(15?22): 1;所述的石蜡与聚乙烯的质量比为(45?48): 1;[〇〇28]二、配置陶瓷浆料:按质量份数将60?70份石英玻璃粉、20?30份锆英粉、0.5? 1.5份分析纯氧化钇和1?4份氧化铝纤维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;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):3,其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):2;所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为(2?4): 1;[〇〇29]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20g/min?30g/min，在搅拌速度为60r/min?70r/min下搅拌4h?6h，得到预制料;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?25);
[0030]四、制备氧化硅陶瓷型芯: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，得到添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯。
[0031]本实施方式方法的优点是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。得到的添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯烧成收缩率为0.032%，低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率降低了0.285%;其高温挠度为 0.9mm，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 1.86mm。
[0032]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】五不同的是:步骤一中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1;所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。其它步骤与参数与【具体实施方式】五相同。
[0033]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】五或六不同的是:步骤二中按质量份数将69.5份石英玻璃粉、25份锆英粉、1.5份氧化钇和4份氧化铝纤维搅拌均匀后放在保温箱中在温度为90°C的条件下保温3h，得到陶瓷浆料。其它步骤与参数与【具体实施方式】五或六相同。
[0034]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】五至七之一不同的是:步骤二中其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3,其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2;其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1。其它步骤与参数与【具体实施方式】五至七之一相同。
[0035]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】五至八之一不同的是:步骤三中加入速度为25g/min，在搅拌速度为65r/min下搅拌5h，得到预制料。其它步骤与参数与【具体实施方式】五至八之一相同。
[0036]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】五至九之一不同的是: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100:22。其它步骤与参数与【具体实施方式】五至九之一相同。[〇〇37]用以下试验验证本发明的有益效果:
[0038]试验一、本试验的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；[〇〇39]所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:22;所述的陶瓷浆料按质量份数由69.5 份石英玻璃粉、25份锆英粉、1.5份氧化钇和4份氧化铝纤维混合而成;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3,其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2;其中所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1;
[0040]所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；所述的石蜡与蜂蜡的质量比为 18.6:1;其中所述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。
[0041]试验二、制备如试验一所述的一种改进的氧化铝陶瓷型芯的方法按以下步骤进行:
[0042]—、配置增塑剂:将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂;所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1;所述的石錯与聚乙稀的质量比为46.5:1;[〇〇43]二、配置陶瓷浆料:按质量份数将69.5份石英玻璃粉、25份锆英粉、1.5份氧化钇和 4份氧化铝纤维搅拌均匀后放在保温箱中在温度为90°C的条件下保温3h，得到陶瓷浆料;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3,其中所述的200 目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2;所述的锆英粉由180目的锆英粉和 250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉的质量比为3:1;
[0044]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25g/min，在搅拌速度为65r/min下搅拌5h，得到预制料;所述的步骤二得到的陶瓷楽:料与步骤一得到的增塑剂的质量比为100:22;[〇〇45]四、制备氧化铝陶瓷型芯:将压型模具预热至温度为90°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，得到添加氧化铝纤维的氧化铝陶瓷型芯。[〇〇46] 采用Hel1s Nanolab600i扫描电镜对试验二制备的添加氧化铝纤维的氧化铝陶瓷型芯断口进行扫描，得到2000倍下的SEM图像，如图1所示。从图1可以看出陶瓷型芯断口处大颗粒堆积紧密，同时又弥散着一些白色的微小颗粒这种断口形态对提高陶瓷型芯的收缩率、室温及高温性能有很大的帮助。
[0047]将试验二制备的添加氧化铝纤维的氧化铝陶瓷型芯与现有陶瓷型芯进行高温挠度测试，得到如图2所示的添加氧化铝纤维的氧化铝陶瓷型芯与现有陶瓷型芯的高温挠度测试对比图，从图2中可以看出，试验二得到的添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的高温挠度明显低于现有陶瓷型芯。其高温挠度为0.9mm，高温挠度降低了 1.86mm;试验二得到的添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的收缩率低于已有氧化硅陶瓷型芯的收缩率，收缩率为 0.032%，收缩率降低了0.285 %。
【主权项】
1.一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于一种添加氧化铝纤维的氧化硅 陶瓷型芯由陶瓷浆料和增塑剂制备而成；所述的陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100: (20?25);所述的陶瓷浆料按质量份数由60 ?70份石英玻璃粉、20?30份锆英粉、0.5?1.5份氧化钇和1?4份氧化铝纤维混合而成;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):3,其中 所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):2;其中所述的锆英粉 由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉 的质量比为(2?4):1;所述的增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成；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。2.根据权利要求1所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的 陶瓷浆料与增塑剂的质量比为100:22。3.根据权利要求1或2所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述 的陶瓷浆料按质量份数由69.5份石英玻璃粉、25份锆英粉、1.5份氧化钇和4份氧化铝纤维 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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3， 其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2;其中所述的锆英粉 由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和250目的锆英粉 的质量比为3:1。4.根据权利要求3所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯，其特征在于所述的 增塑剂由石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合而成;其中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1;其中所 述的石蜡与聚乙烯的质量比为46.5:1。5.—种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征在于一种添加氧化铝纤 维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法按以下步骤进行:一、配置增塑剂:将石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合均匀，得到增塑剂;所述的石蜡与蜂蜡的质 量比为(15?22): 1;所述的石錯与聚乙稀的质量比为(45?48): 1;二、配置陶瓷浆料:按质量份数将60?70份石英玻璃粉、20?30份锆英粉、0.5?1.5份 氧化钇和1?4份氧化铝纤维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;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目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比 为(4?6):3,其中所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为(4?6):2; 所述的锆英粉由180目的锆英粉和250目的锆英粉混合而成，其中所述的180目的锆英粉和 250目的锆英粉的质量比为(2?4): 1;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 20g/min?30g/min，在搅拌速度为60r/min?70r/min下搅拌4h?6h，得到预制料;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?25);四、制备氧化硅陶瓷型芯: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，得到添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯。6.根据权利要求5所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征 在于步骤一中所述的石蜡与蜂蜡的质量比为18.6:1;所述的石蜡与聚乙烯的质量比为 46.5:1〇7.根据权利要求5或6所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特 征在于步骤二中按质量份数将69.5份石英玻璃粉、25份锆英粉、1.5份氧化钇和4份氧化铝 纤维搅拌均匀后放在保温箱中在温度为90°C的条件下保温3h，得到陶瓷浆料。8.根据权利要求7所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征 在于步骤二中其中所述的200目的石英玻璃粉与300目的石英玻璃粉的质量比为5:3,其中 所述的200目的石英玻璃粉与400目的石英玻璃粉的质量比为5:2;其中所述的180目的锆英 粉和250目的锆英粉的质量比为3:1。9.根据权利要求7所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征 在于步骤三中加入速度为25g/min，在搅拌速度为65r/min下搅拌5h，得到预制料。10.根据权利要求7所述的一种添加氧化铝纤维的氧化硅陶瓷型芯的制备方法，其特征 在于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100:22。
【文档编号】C04B35/14GK106007757SQ201610339799
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】薛祥, 姚仲成
【申请人】哈尔滨工业大学