一种抗冷热冲击、抗高温蠕变且易脱除的硅基陶瓷型芯及其制备工艺

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域，特别提供一种大尺寸单晶/定向空心导向叶片用抗冷热冲击、抗高温蠕变且易脱除的硅基陶瓷型芯及其制备工艺。

背景技术

单晶/定向涡轮叶片是燃气轮机最关键的热端部件。随着燃气轮机的发展，功率及热效率不断提高，对涡轮叶片承温能力的要求也越来越高。为提高承温能力，叶片的冷却结构日趋复杂，其制备难度明显增减。

单晶/定向涡轮叶片冷却空腔结构通常采用陶瓷型芯形成。对于燃机大尺寸单晶/定向导向叶片，形成内腔所使用的陶瓷型芯尺寸较大，形状复杂，不仅在叶片浇注过程中需要确保陶瓷型芯尺寸稳定，还应该具备良好的抗冷热冲击性能及抗高温蠕变能力，同时在叶片成形后，陶芯应具有良好的脱芯能力。目前最常用的陶瓷型芯基材为硅基，使用石英玻璃作为基体材料，同时添加氧化铝、氧化锆、硅酸锆等矿化剂。硅基陶瓷型芯烧结时必须控制方石英的析出量，以保证陶瓷型芯具有良好的综合性能，但仅通过工艺参数调整，难以保证方石英析出的均匀性。选择一种即适用于大尺寸叶片、又具有较高抗热冲击能力且易脱除的陶瓷型芯，是目前生产中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗冷热冲击、抗高温蠕变且易脱除的陶瓷型芯及其制备工艺，以满足单晶/定向空心涡轮导向叶片制备需求。

一种抗冷热冲击、抗高温蠕变且易脱除的陶瓷型芯，按重量百分含量计，该陶瓷型芯组成如下：

方石英：4％-9％；

石英玻璃：42％-76％；

氧化铝：20％-49％。

所述石英玻璃纯度大于99.9％，氧化铝纯度大于99.9％，方石英纯度大于99.9％。

所述石英玻璃的粒度为100目～200目，方石英的粒度为1000目～3000目，氧化铝的粒度为600目～1000目。

所述抗冷热冲击、抗高温蠕变且易脱除的陶瓷型芯的制备工艺，采用料浆注塑成型的方法制备陶瓷型芯，所述料浆注塑成型的方法包括如下步骤：

(1)将石英玻璃、氧化铝和方石英按配比放入罐磨机中，以80r/min罐磨24h，所得粉料备用；

(2)将增塑剂加热至70-90℃，待其完全融化，将步骤(1)所得粉料分批加入增塑剂中，每批加入量占全部粉料的20％-30％，加入过程中不断搅拌，保证无干粉，待所有粉料均加入后得到料浆，将所得料浆浇注成料浆锭保存；

(3)将步骤(2)制备的料浆锭加热至90-110℃，保温12-24h，待料浆锭完全融化后制备陶瓷型芯素坯；

(4)选用氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，升温至500℃并保温4h-6h，再升温至1220℃-1250℃保温2h-4h，炉冷至室温。

上述步骤(2)所得料浆中陶瓷粉料占80-85％，增塑剂占15-20％。

上述步骤(2)中，所述增塑剂的重量组成为：石蜡80-90％，硬脂酸1-4％，PVC为5-19％。

上述步骤(4)中，由初始炉温(室温)升温至500℃时的升温速度为5℃/min，由500℃升温至1220℃-1250℃时的升温速度为15℃/min。

上述步骤(4)中，所述氧化铝粉的纯度≥99.9％，粒度为150-200目。

本发明的设计原理如下：

本发明利用一定粒度的石英玻璃粉形成陶瓷型芯基体骨架，保证陶瓷型芯具有良好的抗冷热冲击性能；采用微米及以下粒度的晶体方石英及氧化铝粉提高陶瓷型芯的烧结致密度进而提高高温抗蠕变性能；利用方石英作为籽晶，在定向凝固过程中，使大颗粒石英玻璃容易晶化并在冷却过程中形成裂纹，型芯脱除时碱液容易浸入到裂纹处，提高陶瓷型芯脱除性能。

本发明中，为保证形成粗大的骨架结构，选用粒度100-200目的石英玻璃。一方面可以在叶片浇注过程中，起到良好抗冷热冲击的作用，另一方面在叶片浇注后脱芯过程中，使脱芯液更充分、更快的进入到石英玻璃颗粒的裂纹中，提高陶瓷型芯脱除性能。

本发明中，选取粒度小于3000目的方石英，一方面增加陶瓷型芯致密度；另一方面细小的方石英作为石英玻璃析晶晶核，弥散分布在石英玻璃周围，增大方石英与石英玻璃的接触面积，在叶片定向凝固过程中，可以更有效更快速的促使石英玻璃析晶，提高型芯的抗蠕变性能，以降低由于陶芯偏芯导致的叶片报废率。

本发明中，选择粒度小于1000目的氧化铝，氧化铝在高温阶段非常稳定，可以提高陶瓷型芯的高温抗蠕变性；

本发明的优点和积极效果如下：

1、本发明将石英玻璃、方石英和氧化铝进行粒度合理搭配，使陶瓷型芯在形成较稳固骨架结构的同时又不失其致密性，不但具有较高的抗冷热冲击性能及高温抗蠕变性能，而且具有优良的易脱除性能；

2、添加的细小方石英，可以使型芯更容易烧结且利于石英玻璃高效析晶，使其具有良好的力学性能及高温抗蠕变性能；

3、本发明型芯成分中，搭配最大粒度小于1000目的氧化铝，由于其本身优秀的高温稳定性，使陶瓷型芯具有较高的强度和化学稳定性，高温抗蠕变性。

4、本发明这种成分组合获得的陶瓷型芯可以满足大尺寸单晶/定向空心涡轮导向叶片制备需求。

附图说明

图1为实施例1配方条件下的陶瓷型芯，经过1220℃烧结后的物相分析曲线；

图2为未添加细小方石英的陶瓷型芯，经过1220℃烧结后的物相分析曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。如未特殊说明，以下所有百分数以及比例关系，均为质量(百分)比。

以下实施例中，所用石英玻璃的粒度为100目～200目，方石英的粒度1000目～3000目，氧化铝的粒度600目～1000目。

陶瓷型芯的制备过程如下：

(1)将石英玻璃、氧化铝和方石英按配比放入罐磨机中，以80r/min罐磨24h，所得粉料备用；

(2)将增塑剂加热至85℃，待其完全融化，将步骤(1)所得粉料分4批加入增塑剂中，每批加入量占全部粉料的25％，加入过程中不断搅拌，保证无干粉，待所有粉料均加入后得到料浆，料浆中陶瓷粉料占82％，增塑剂占18％。所述增塑剂的组成为(wt.％)：石蜡86％，硬脂酸3％，PVC为11％。将所得料浆浇注成料浆锭保存；

(3)将步骤(2)制备的料浆锭加热至90-110℃，保温12-24h，待料浆锭完全融化后制备陶瓷型芯素坯；

(4)选用纯度≥99.9％、粒度150-200目的氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃并保温4h-6h，再以15℃/min的升温速度升温至1220℃-1250℃保温2h-4h，炉冷至室温。

实施例1

陶瓷型芯成分：石英玻璃(100目～200目)：76％，方石英(1000目～3000目)：4％，氧化铝(600目～1000目)：20％；所述石英玻璃、方石英及氧化铝纯度均为99.9％；加入增塑剂后将其压制成尺寸为12cm*1cm*0.4cm的板状陶瓷型芯素坯；

选用纯度≥99.9％、粒度150-200目的氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃并保温5h，再以15℃/min的升温速度升温至1220℃，并保温2h，烧结后的陶瓷型芯，通过分析X射线图谱，计算出陶瓷型芯中方石英的相对含量约10％，将陶瓷型芯继续升温至1550℃，保温1小时，此时测得陶瓷型芯的高温蠕变性能。然后再将陶瓷型芯放入配制好的专用碱液中，完全溶解时间为6小时。

图1为本实施例配方的陶瓷型芯，经过1220℃烧结后的物相分析曲线，可以看出烧结后的陶瓷型芯，由石英玻璃转化为一定量的方石英，仍存在少量石英玻璃非晶相。

本实施例型芯的性能指标如下：室温抗弯强度14MPa，高温挠度为0.6mm，收缩率为2％。

实施例2

陶瓷型芯成分：石英玻璃(100目～200目)：74％，方石英(1000目～3000目)：6％，氧化铝(600目～1000目)：20％；所述石英玻璃、方石英及氧化铝纯度均为99.9％；加入增塑剂后将其压制成尺寸为12cm*1cm*0.4cm的板状陶瓷型芯素坯；

选用纯度≥99.9％、粒度150-200目的氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃并保温5h，再以15℃/min的升温速度升温至1220℃，并保温2h，烧结后的陶瓷型芯，通过分析X射线图谱，计算出陶瓷型芯中方石英的相对含量约15％，将陶瓷型芯继续升温至1550℃，保温1小时，此时测得陶瓷型芯的高温蠕变性能。然后再将陶瓷型芯放入配制好的专用碱液中，完全溶解时间为5.5小时。型芯的性能指标如下：室温抗弯强度16MPa，高温挠度为0.4mm，收缩率为2％。

实施例3

陶瓷型芯成分：石英玻璃(100目～200目)：65％，方石英(1000目～3000目)：8％，氧化铝(600目～1000目)：27％；所述石英玻璃、方石英及氧化铝纯度均大于99.9％；加入增塑剂后将其压制成尺寸为12cm*1cm*0.4cm的板状陶瓷型芯素坯；

选用纯度≥99.9％、粒度150-200目的氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃并保温5h，再以15℃/min的升温速度升温至1220℃，并保温2h，烧结后的陶瓷型芯，通过分析X射线图谱，计算出陶瓷型芯中方石英的相对含量约17％，将陶瓷型芯继续升温至1550℃，保温1小时，此时测得陶瓷型芯的高温蠕变性能。然后再将陶瓷型芯放入配制好的专用碱液中，完全溶解时间为4.5小时。型芯的性能指标如下：室温抗弯强度19MPa，高温挠度为0.3mm，收缩率为1.6％。

实施例4

陶瓷型芯成分：石英玻璃(100目～200目)：65％，方石英(1000目～3000目)：8％，氧化铝(600目～1000目)：27％；所述石英玻璃、方石英及氧化铝纯度均大于99.9％；加入增塑剂后将其压制成尺寸为12cm*1cm*0.4cm的板状陶瓷型芯素坯；

选用纯度≥99.9％、粒度150-200目的氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃并保温5h，再以15℃/min的升温速度升温至1250℃，并保温2h，烧结后的陶瓷型芯，通过分析X射线图谱，计算出陶瓷型芯中方石英的相对含量约22％，将陶瓷型芯继续升温至1550℃，保温1小时，此时测得陶瓷型芯的高温蠕变性能。然后再将陶瓷型芯放入配制好的专用碱液中，完全溶解时间为4小时。型芯的性能指标如下：室温抗弯强度22MPa，高温挠度为0.2mm，收缩率为1.3％。

实施例5

陶瓷型芯成分：石英玻璃(100目～200目)：52％，方石英(1000目～3000目)：9％，氧化铝(600目～1000目)：39％；所述石英玻璃、方石英及氧化铝纯度均大于99.9％；加入增塑剂后将其压制成尺寸为12cm*1cm*0.4cm的板状陶瓷型芯素坯；

选用纯度≥99.9％、粒度150-200目的氧化铝粉作为填料，将陶瓷型芯素坯包埋于填料粉中，以5℃/min的升温速度升温至500℃并保温5h，再以15℃/min的升温速度升温至1220℃，并保温2h，烧结后的陶瓷型芯，通过分析X射线图谱，计算出陶瓷型芯中方石英的相对含量约24％，将陶瓷型芯继续升温至1550℃，保温1小时，此时测得陶瓷型芯的高温蠕变性能。然后再将陶瓷型芯放入配制好的专用碱液中，完全溶解时间为4小时。型芯的性能指标如下：室温抗弯强度23MPa，高温挠度为0.2mm，收缩率为2.3％。

对比例1：

与实施例1不同之处在于：陶瓷型芯成分：石英玻璃(100目～200目)：80％，氧化铝(600目～1000目)：20％；其他均与实施例相同。

图2为本例未添加细小方石英的陶瓷型芯，经过1220℃烧结后的物相分析曲线。

可以看出在无细小方石英存在的情况下，烧结后方石英的典型衍射峰强度很低，大部分以石英玻璃这种非晶态形式存在。