高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于熔模精密铸造技术领域，具体涉及一种高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法。

背景技术

熔模精密铸造技术由于其在生产高精度、复杂构造铸件方面的优势，所以其在航空航天、化工等领域得到广泛应用，特别是在航空发动机涡轮叶片、燃气轮机叶片等关键热端部件的制造中应用尤为广泛。陶瓷型壳的制备是熔模精密铸造中极为重要的环节，陶瓷型壳的性能和质量直接影响铸件的质量。一些国内外学者利用纤维增强复合材料的高强度、大刚度、轻质量、抗疲劳和耐高温等特性，采用纤维增强精铸型壳的方法制备优质的陶瓷型壳。

Q.B.Liu等研究者通过将纤维均匀地混入耐火砂料中用于型壳撒砂，发现纤维的存在能够有效地抑制型壳的开裂，并且型壳的断裂韧性随着纤维含量的增加而提高。C.Yuan等研究者在浆料中加入了高分子粘结剂和尼龙有机纤维，以便在保证型壳湿态强度的前提下降低制壳周期，当型壳经过焙烧后，尼龙有机纤维会被烧失，导致在型壳内部留下许多微孔隙，这极大地提高了型壳的透气性。然而纤维的引入对硅溶胶浆料的性能产生了显著影响，随着纤维含量和纤维长度的增加，硅溶胶浆料的流动粘度也增加，使纤维出现团聚成束的现象，这将导致型壳的涂挂厚度和重量增加，而且涂层的均匀性降低，从而限制了纤维对型壳综合性能改善效果的发挥。

如何平衡纤维增强效果和纤维对硅溶胶浆料性能的影响以提高陶瓷型壳的综合性能是需要进一步研究和改进的方向。通过探索更适合的纤维类型、优化纤维的加入方式和加入量、改进硅溶胶浆料的配方等可以更好地实现陶瓷型壳的优化改良，这将对熔模精密铸造技术的发展和应用具有积极的推动作用。

申请公布号为CN114833305A的发明专利公开了一种大吴风草纤维增强的陶瓷型壳背层浆料及其制备方法，该浆料按照质量份数计包括：陶瓷型壳背层粉55-80份、大吴风草纤维0.5-2份、粘结剂18.3-37份、消泡剂0.1-0.5份、防腐剂0.1-0.5份和去离子水1-5份。该方法包括：将粘结剂加入到配浆桶中，保持连续搅拌，将大吴风草纤维加入到粘结剂中，搅拌使大吴风草纤维均匀地分散在粘结剂中；保持连续搅拌，将陶瓷型壳背层粉加入到粘结剂中，再将消泡剂、防腐剂和去离子水依次加入到搅拌桶中并继续搅拌，然后将浆料转移到沾浆桶中并继续搅拌，保持浆料不沉降，直至粘度不再发生变化。该技术方案虽然能够提高型壳的透气性，对型壳起到增强作用，但是所使用的纤维为天然纤维，而天然纤维的长度和直径都不可控，会出现团聚成束现象，导致型壳浆料涂挂不均匀。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高稳定性陶瓷型壳背层浆料，所述陶瓷型壳背层浆料中各物质占所述陶瓷型壳背层浆料的质量百分比为，耐火材料粉体占60-75wt%、粘结剂占25-30wt%、消泡剂占0.3-0.5wt%、润湿剂占0.3-0.5wt%、纳米纤维占4-10wt%。

优选的是，所述耐火材料粉体为锆英石、氧化铝、熔融石英粉、莫来石粉、电熔刚玉粉、煤矸石粉、高岭土粉中的任一种或者几种，所述耐火材料粉体的粒度为200-325目；所述粘结剂为硅溶胶、水玻璃、硅酸乙酯水解液中的任一种或者几种；所述消泡剂为有机硅乳液消泡剂；所述润湿剂为脂肪磷酸酯和/或脂肪醇聚氧乙烯醚；所述陶瓷型壳背层浆料的粘度为25-42s，所述陶瓷型壳背层浆料的pH值为3-9。

本发明中，根据不同铸件的质量要求以及浇注参数的不同，选择合适的耐火材料粉体，尤其在定向凝固或者单晶高温合金熔模精密铸造方面，主要以氧化铝或者锆英石作为陶瓷型壳耐火材料粉体。将消泡剂添加到陶瓷型壳背层浆料中，可以通过改变表面张力破坏泡沫膜的结构，从而达到消泡、抑泡的效果。粘度直接反应浆料体系的流动性能并直接决定浆料的涂挂质量，浆料的pH值会影响其粘度。

在上述任一方案中优选的是，所述纳米纤维为采用静电纺丝工艺制得的纳米级直径的聚合物细丝，所述静电纺丝工艺使用的聚合物溶液为由二甲基甲酰胺为溶剂、混合聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮得到的前驱体溶液。

在上述任一方案中优选的是，所述聚硅氮烷的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的2-5%，所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的20-23%；所述纳米纤维的长度为1×10

本发明还提供一种高稳定性陶瓷型壳背层浆料的制备方法，用于制备上述任一项所述的高稳定性陶瓷型壳背层浆料，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：按照设计要求称取二甲基甲酰胺、聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮备用，以二甲基甲酰胺为溶剂，向其中添加聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮，混合均匀后即可制得用于静电纺丝工艺的聚合物溶液，并采用静电纺丝工艺制备纳米纤维备用；

步骤二：将粘结剂、消泡剂和润湿剂依次加入配浆桶中，同时启动搅拌器进行搅拌；待粘结剂、消泡剂和润湿剂搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且不改变搅拌速度，同时向配浆桶中加入部分纳米纤维，继续搅拌；

步骤三：待粘结剂、消泡剂、润湿剂和部分纳米纤维搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且不改变搅拌速度，同时向配浆桶中加入部分耐火材料粉体，继续搅拌；

步骤四：待粘结剂、消泡剂、润湿剂、部分纳米纤维和部分耐火材料粉体搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且提高搅拌速度，同时向配浆桶中加入剩余部分纳米纤维，继续搅拌；

步骤五：待粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和部分耐火材料粉体搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且不改变搅拌速度，同时向配浆桶中加入剩余部分耐火材料粉体，继续搅拌；

步骤六：待粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和耐火材料粉体搅拌结束后，将配浆桶中的浆料转移至沾浆桶中，同时启动搅拌器进行搅拌，保持浆料不沉降，即可获得高稳定性陶瓷型壳背层浆料。

优选的是，步骤一中，采用静电纺丝工艺制备纳米纤维，其工艺参数为：温度为室温、湿度为40-45%、电压为25-28kV、针板距离为20-23cm、料液流速为1-1.2ml/h。

在上述任一方案中优选的是，步骤二中，粘结剂、消泡剂和润湿剂的搅拌速度为400-500r/min、搅拌时间为2-3min；部分纳米纤维占纳米纤维的质量百分比为50-70wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂和部分纳米纤维的搅拌速度为400-500r/min、搅拌时间为3-5min。

在上述任一方案中优选的是，步骤三中，部分耐火材料粉体占耐火材料粉体的质量百分比为50-60wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂、部分纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为400-500r/min、搅拌时间为20-30min。

在上述任一方案中优选的是，步骤四中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为800-900r/min、搅拌时间为3-5min。

在上述任一方案中优选的是，步骤五中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和耐火材料粉体的搅拌速度为800-900r/min、搅拌时间为6-8h。

在上述任一方案中优选的是，步骤六中，浆料在沾浆桶中的搅拌速度为800-900r/min，浆料不沉降即为浆料表面出现漩涡。

本发明中，配浆桶和沾浆桶的内壁均设置循环冷却系统，对循环冷却系统的结构、型号不做特殊要求，只要该循环冷却系统能够使陶瓷型壳背层浆料的各物质在整个搅拌过程中的温度保持在22℃及以下即可。此外在陶瓷型壳背层浆料的制备过程中，各物料的添加顺序、添加量、搅拌速度和搅拌时间等工艺参数非常重要，它直接影响所制备的陶瓷型壳背层浆料的性能和质量，以及是否能够获得稳定性良好的背层浆料。同时在陶瓷型壳背层浆料的制备过程中，一直保持搅拌器处于启动状态，保持连续搅拌可以有效防止浆料沉降凝聚。

本发明中，采用静电纺丝工艺制备的纳米纤维不仅能够有效地起到陶瓷型壳增强的作用，而且还能够均匀地分散在陶瓷型壳背层浆料中，在现场使用条件下，有助于长时间稳定陶瓷型壳背层浆料的粘度、增大板重，起到改善涂挂浆料均匀性的作用，尤其针对部分R角（通常指过渡圆弧区域）等不容易涂挂浆料的地方能够有效地增大涂挂量，解决了现有技术中因纤维团聚成束而导致陶瓷型壳的重量和厚度增加、涂挂均匀性差的问题。

本发明的高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法，具有如下有益效果：

（1）本发明涉及的纳米纤维由聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮的前驱体溶液采用静电纺丝工艺制得，所制得的束状纳米纤维具有较高的孔隙率和较大的比表面积，将其添加到其他物质中并经过充分搅拌后分散成单丝状，该单丝状纳米纤维在粘结剂与耐火材料粉体间的空隙中交织呈网状结构且不会出现团聚成束的现象，从而均匀地分散在陶瓷型壳背层浆料中。此外通过焙烧阶段纤维的烧蚀作用，可以增大陶瓷型壳内部的孔隙程度，提高陶瓷型壳的透气性。

（2）本发明加入的纳米纤维能够有效地阻碍陶瓷型壳背层浆料内部耐火材料粉体与粘结剂的运动，在现场使用条件下，有助于长时间稳定陶瓷型壳背层浆料的粘度、增大板重，起到改善涂挂浆料均匀性的作用，平面厚度增大了15%，部分R角等不容易涂挂浆料地方的厚度增大了45%，大幅度提高了涂挂量。故加入该纳米纤维，在保证陶瓷型壳厚度的前提下，实现了涂挂层数的减少以及涂料量的减少，从而降低了生产周期和生产成本。

附图说明

图1为按照本发明高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法的一优选实施例的流程图；

图2为图1所示实施例中采用静电纺丝工艺制备的纳米纤维的微观形貌照片；

图3为图1所示实施例制备的涂挂了高稳定性陶瓷型壳背层浆料的试板照片；

图4为图1所示实施例中涂挂了高稳定性陶瓷型壳背层浆料的试板的横截面照片。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

实施例一：

按照本发明高稳定性陶瓷型壳背层浆料的一优选实施例，所述陶瓷型壳背层浆料中各物质占所述陶瓷型壳背层浆料的质量百分比为，耐火材料粉体占65wt%、粘结剂占27wt%、消泡剂占0.4wt%、润湿剂占0.4wt%、纳米纤维占7.2wt%。

所述耐火材料粉体为锆英石，其粒度为250目；所述粘结剂为硅溶胶；所述消泡剂为有机硅乳液消泡剂；所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；所述陶瓷型壳背层浆料的粘度为35s，所述陶瓷型壳背层浆料的pH值为6。本实施例中，将消泡剂添加到陶瓷型壳背层浆料中，可以通过改变表面张力破坏泡沫膜的结构，从而达到消泡、抑泡的效果；粘度直接反应浆料体系的流动性能并直接决定浆料的涂挂质量，浆料的pH值会影响其粘度。

所述纳米纤维为采用静电纺丝工艺制得的纳米级直径的聚合物细丝，所述静电纺丝工艺使用的聚合物溶液为由二甲基甲酰胺为溶剂、混合聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮得到的前驱体溶液。所述聚硅氮烷的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的4%，所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的21%；所述纳米纤维的长度为1.2×10

如图1所示，本实施例还提供一种高稳定性陶瓷型壳背层浆料的制备方法，用于制备上述高稳定性陶瓷型壳背层浆料，按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：按照设计要求称取二甲基甲酰胺、聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮备用，以二甲基甲酰胺为溶剂，向其中添加聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮，混合均匀后即可制得用于静电纺丝工艺的聚合物溶液，并采用静电纺丝工艺制备纳米纤维备用；

步骤二：将粘结剂、消泡剂和润湿剂依次加入配浆桶中，同时启动搅拌器进行搅拌；待粘结剂、消泡剂和润湿剂搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且不改变搅拌速度，同时向配浆桶中加入部分纳米纤维，继续搅拌；

步骤三：待粘结剂、消泡剂、润湿剂和部分纳米纤维搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且不改变搅拌速度，同时向配浆桶中加入部分耐火材料粉体，继续搅拌；

步骤四：待粘结剂、消泡剂、润湿剂、部分纳米纤维和部分耐火材料粉体搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且提高搅拌速度，同时向配浆桶中加入剩余部分纳米纤维，继续搅拌；

步骤五：待粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和部分耐火材料粉体搅拌结束后，保持搅拌器处于启动状态且不改变搅拌速度，同时向配浆桶中加入剩余部分耐火材料粉体，继续搅拌；

步骤六：待粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和耐火材料粉体搅拌结束后，将配浆桶中的浆料转移至沾浆桶中，同时启动搅拌器进行搅拌，保持浆料不沉降，即可获得高稳定性陶瓷型壳背层浆料。

步骤一中，采用静电纺丝工艺制备纳米纤维，其工艺参数为：温度为室温、湿度为42%、电压为26kV、针板距离为22cm、料液流速为1.1ml/h。

步骤二中，粘结剂、消泡剂和润湿剂的搅拌速度为450r/min、搅拌时间为2.5min；部分纳米纤维占纳米纤维的质量百分比为60wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂和部分纳米纤维的搅拌速度为450r/min、搅拌时间为4min。

步骤三中，部分耐火材料粉体占耐火材料粉体的质量百分比为55wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂、部分纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为450r/min、搅拌时间为25min。

步骤四中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为850r/min、搅拌时间为4min。

步骤五中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和耐火材料粉体的搅拌速度为850r/min、搅拌时间为7h。

步骤六中，浆料在沾浆桶中的搅拌速度为850r/min，浆料不沉降即为浆料表面出现漩涡。

本实施例中，配浆桶和沾浆桶的内壁均设置循环冷却系统，对循环冷却系统的结构、型号不做特殊要求，只要该循环冷却系统能够使陶瓷型壳背层浆料的各物质在整个搅拌过程中的温度保持在22℃及以下即可。此外在陶瓷型壳背层浆料的制备过程中，各物料的添加顺序、添加量、搅拌速度和搅拌时间等工艺参数非常重要，它直接影响所制备的陶瓷型壳背层浆料的性能和质量，以及是否能够获得稳定性良好的背层浆料。同时在陶瓷型壳背层浆料的制备过程中，一直保持搅拌器处于启动状态，保持连续搅拌可以有效防止浆料沉降凝聚。

本实施例采用静电纺丝工艺制备的纳米纤维的微观形貌照片如图2所示，其长度和直径均为纳米级。本实施例制备的涂挂了高稳定性陶瓷型壳背层浆料的试板照片及其横截面照片分别如图3和图4所示，从图中可以看出，浆料的整体涂挂均匀性良好，尤其针对R角的部位能够有效地增大涂挂量且涂挂均匀性良好。

本实施例中，采用静电纺丝工艺制备的纳米纤维不仅能够有效地起到陶瓷型壳增强的作用，而且还能够均匀地分散在陶瓷型壳背层浆料中，在现场使用条件下，有助于长时间稳定陶瓷型壳背层浆料的粘度、增大板重，起到改善涂挂浆料均匀性的作用，尤其针对部分R角等不容易涂挂浆料的地方能够有效地增大涂挂量，解决了现有技术中因纤维团聚成束而导致陶瓷型壳的重量和厚度增加、涂挂均匀性差的问题。

本实施例的高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法，具有如下有益效果：（1）纳米纤维由聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮的前驱体溶液采用静电纺丝工艺制得，所制得的束状纳米纤维具有较高的孔隙率和较大的比表面积，将其添加到其他物质中并经过充分搅拌后分散成单丝状，该单丝状纳米纤维在粘结剂与耐火材料粉体间的空隙中交织呈网状结构且不会出现团聚成束的现象，从而均匀地分散在陶瓷型壳背层浆料中；（2）加入纳米纤维，在保证陶瓷型壳厚度的前提下，实现了涂挂层数的减少以及涂料量的减少，从而降低了生产周期和生产成本。

实施例二：

按照本发明高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法的另一优选实施例，其各物质组成、制备方法、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：

（1）对于高稳定性陶瓷型壳背层浆料

所述陶瓷型壳背层浆料中各物质占所述陶瓷型壳背层浆料的质量百分比为，耐火材料粉体占60wt%、粘结剂占29wt%、消泡剂占0.5wt%、润湿剂占0.5wt%、纳米纤维占10wt%。

所述耐火材料粉体为氧化铝，其粒度为200目；所述粘结剂为硅溶胶；所述消泡剂为有机硅乳液消泡剂；所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；所述陶瓷型壳背层浆料的粘度为42s，所述陶瓷型壳背层浆料的pH值为9。

所述纳米纤维为采用静电纺丝工艺制得的纳米级直径的聚合物细丝，所述静电纺丝工艺使用的聚合物溶液为由二甲基甲酰胺为溶剂、混合聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮得到的前驱体溶液。所述聚硅氮烷的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的5%，所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的23%；所述纳米纤维的长度为1.5×10

对于高稳定性陶瓷型壳背层浆料的制备方法

步骤一中，采用静电纺丝工艺制备纳米纤维，其工艺参数为：温度为室温、湿度为45%、电压为28kV、针板距离为23cm、料液流速为1.2ml/h。

步骤二中，粘结剂、消泡剂和润湿剂的搅拌速度为500r/min、搅拌时间为2min；部分纳米纤维占纳米纤维的质量百分比为70wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂和部分纳米纤维的搅拌速度为500r/min、搅拌时间为3min。

步骤三中，部分耐火材料粉体占耐火材料粉体的质量百分比为60wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂、部分纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为500r/min、搅拌时间为20min。

步骤四中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为900r/min、搅拌时间为3min。

步骤五中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和耐火材料粉体的搅拌速度为900r/min、搅拌时间为6h。

步骤六中，浆料在沾浆桶中的搅拌速度为900r/min，浆料不沉降即为浆料表面出现漩涡。

实施例三：

按照本发明高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法的另一优选实施例，其各物质组成、制备方法、技术原理和有益效果等与实施例一基本相同，不同的是：

（1）对于高稳定性陶瓷型壳背层浆料

所述陶瓷型壳背层浆料中各物质占所述陶瓷型壳背层浆料的质量百分比为，耐火材料粉体占70.4wt%、粘结剂占25wt%、消泡剂占0.3wt%、润湿剂占0.3wt%、纳米纤维占4wt%。

所述耐火材料粉体为氧化铝，其粒度为325目；所述粘结剂为硅溶胶；所述消泡剂为有机硅乳液消泡剂；所述润湿剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；所述陶瓷型壳背层浆料的粘度为25s，所述陶瓷型壳背层浆料的pH值为3。

所述纳米纤维为采用静电纺丝工艺制得的纳米级直径的聚合物细丝，所述静电纺丝工艺使用的聚合物溶液为由二甲基甲酰胺为溶剂、混合聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮得到的前驱体溶液。所述聚硅氮烷的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的2%，所述聚乙烯吡咯烷酮的添加量为所述二甲基甲酰胺溶剂质量的20%；所述纳米纤维的长度为1×10

（2）对于高稳定性陶瓷型壳背层浆料的制备方法

步骤一中，采用静电纺丝工艺制备纳米纤维，其工艺参数为：温度为室温、湿度为40%、电压为25kV、针板距离为20cm、料液流速为1ml/h。

步骤二中，粘结剂、消泡剂和润湿剂的搅拌速度为400r/min、搅拌时间为3min；部分纳米纤维占纳米纤维的质量百分比为50wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂和部分纳米纤维的搅拌速度为400r/min、搅拌时间为5min。

步骤三中，部分耐火材料粉体占耐火材料粉体的质量百分比为50wt%，粘结剂、消泡剂、润湿剂、部分纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为400r/min、搅拌时间为30min。

步骤四中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和部分耐火材料粉体的搅拌速度为800r/min、搅拌时间为5min。

步骤五中，粘结剂、消泡剂、润湿剂、纳米纤维和耐火材料粉体的搅拌速度为800r/min、搅拌时间为8h。

步骤六中，浆料在沾浆桶中的搅拌速度为800r/min，浆料不沉降即为浆料表面出现漩涡。

特别说明：本发明的技术方案中涉及了诸多参数，需要综合考虑各个参数之间的协同作用，才能获得本发明的有益效果和显著进步。而且技术方案中各个参数的取值范围都是经过大量试验才获得的，针对每一个参数以及各个参数的相互组合，发明人都记录了大量试验数据，限于篇幅，在此不公开具体试验数据。

本领域技术人员不难理解，本发明的高稳定性陶瓷型壳背层浆料及其制备方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。