一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺的制作方法

1.本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺。


背景技术：

2.随着航空发动机推重比的不断升级，涡轮前进口温度不断提高，对发动机叶片的能力要求也越来越高。叶片从实现发展到空心，从多晶发展到单晶，叶片内腔形状也日趋复杂。陶瓷型芯是形成叶片内腔的关键部件，其制造技术已经成为空心冶炼制造的关键技术。
3.陶瓷型芯的性能在很大程度上取决于其基体材料的性能。以石英玻璃为主要材料的硅基型芯和以氧化铝为主要材料的铝基型芯是目前的两种主要陶瓷型芯。其中，硅基型芯易溶于碱液中，因此与铝基型芯相比更容易从空心叶片中脱除，但其耐火度较低，抗高温蠕变性能较差，因此通常在1550℃以下用于高温合金空心叶片的铸造。近年来，研究者通过在陶瓷基体中添加增强相来提升硅基陶瓷型芯的高温力学性能，但是现有的增强相对于陶瓷型芯的增强效果较为有限。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的现有的增强相对于陶瓷型芯的增强效果较为有限的问题，本发明的目的是提供一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺。
5.本发明的目的采用以下技术方案来实现：
6.一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺，包括以下步骤：
7.步骤1，制备增强相粉：
8.先制备出硼化铼纳米粉，然后以硼化铼纳米粉和钪盐反应液通过复合制备得到增强相粉；
9.步骤2，准备硅基陶瓷型芯粉料：
10.分别称取石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉，并混合均匀，得到硅基陶瓷型芯粉料；
11.步骤3，制备硅基陶瓷型芯混料：
12.按量称取增塑剂混入至硅基陶瓷型芯粉料，继续混合处理，得到硅基陶瓷型芯混料；
13.步骤4，制备硅基陶瓷型芯：
14.将硅基陶瓷型芯混料置于模具中，压制成型后，放入石墨炉内进行烧结，得到硅基陶瓷型芯。
15.优选地，所述硅基陶瓷型芯的成分按照重量份数计算，包括：
16.80～100份石英玻璃粉、26～33份硅酸锆粉、15～21份增强相粉、10～15份云母粉和15～20份增塑剂。
17.优选地，所述石英玻璃粉的粒度为200～500目，其中，粒度为200～300目的石英玻
璃粉、粒度为300～400目的石英玻璃粉与粒度为400～500目的石英玻璃粉的质量比为2～3:5:1～2。
18.优选地，所述硅酸锆粉的粒度为200～300目。
19.优选地，所述增强相粉的粒度为100～200目。
20.优选地，所述云母粉的成分中，氧化硅的质量占比不低于48％，氧化铝的质量占比不低于30％；云母粉的粒度为200～300目。
21.优选地，所述增塑剂由石蜡、蜂蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为86～92:5～8:1～3混合得到。
22.优选地，所述步骤1中，增强相粉为硼化铼/氧化钪复合物，硼化铼/氧化钪复合物的制备方法为：
23.s1.制备硼化铼纳米粉：
24.以二氧化铼与硼粉作为原料、金属卤化物作为辅助剂依次经过球磨、烧结、洗涤和干燥处理，得到硼化铼纳米粉；
25.s2.制备钪盐反应液：
26.以氯化钪和草酸铵作为反应物、聚乙二醇作为分散剂、去离子水作为溶剂，调节反应液的ph为8.0～9.0，搅拌混合反应，形成钪盐反应液；
27.s3.制备硼化铼/钪盐复合物：
28.将硼化铼纳米粉与钪盐反应液混合，降低反应液的ph至3.0～4.0，过滤并收集固体，得到硼化铼/钪盐复合物；
29.s4.制备硼化铼/氧化钪复合物：
30.将硼化铼/钪盐复合物置于石墨炉内烧结，得到硼化铼/氧化钪复合物。
31.优选地，所述s1中，金属卤化物为氯化钠、氯化钾、氯化镁中的至少一种。
32.优选地，所述s1中，二氧化铼、硼粉与金属卤化物的质量比为10.2～12.4:1:0.15～0.3。
33.优选地，所述s1中的球磨过程为：称取原料和辅助剂混合至行星球磨仪中，使用氧化锆球以200～500rpm的速度进行球磨，球磨时间为1～3h。
34.优选地，所述s1中，烧结过程为：将球磨后的产物置于坩埚内，再将坩埚放入石墨炉内，在惰性气体的保护下，先将石墨炉升温至700～900℃烧结1～2h，再将石墨炉升温至1000～1200℃烧结2～3h。
35.优选地，所述s1中的洗涤过程为：先将烧结后的产物与去离子水混合，超声均匀后，升温至65～85℃，搅拌反应1～2h，过滤收集固体，之后将收集的固体依次使用蒸馏水和无水乙醇洗涤。
36.优选地，所述s1中的干燥是在真空箱内干燥。
37.优选地，所述s2中，反应是在常温的搅拌下进行，搅拌时间为0.5～1h，搅拌速度为200～500rpm。
38.优选地，所述s2中，氯化钪、草酸铵、聚乙二醇与去离子水的质量比为1:3.2～3.8:0.02～0.05:15～20。
39.优选地，所述s3中，硼化铼纳米粉与钪盐反应液混合后，升温至60～80℃。
40.优选地，所述s3中，硼化铼纳米粉与钪盐反应液的质量比为1:12～15。
41.优选地，所述s3中，硼化铼纳米粉与钪盐反应液混合后，先超声分散均匀，之后在搅拌的条件下不断降低反应液的ph，直至反应液的ph达到3.0～4.0后，过滤并收集固体。
42.优选地，所述s3中，将过滤收集的固体使用纯化水清洗至清洗液为中性，真空干燥后，得到硼化铼/钪盐复合物。
43.优选地，所述s4中，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至550～650℃并保温处理1～2h；第二阶段升温至800～900℃，保温处理2～3h。
44.优选地，所述步骤2中，石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉置于粉料搅拌机中进行混合，混合时间为2～4h。
45.优选地，所述步骤3中，增塑剂以熔融态与硅基陶瓷型芯粉料混合，增塑剂加入之前粉料搅拌机预热至100～120℃，增塑剂加入后，保温并混合5～10h。
46.优选地，所述步骤4中，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至450～550℃并保温处理1～3h；第二阶段升温至1200～1300℃，保温处理4～6h，冷却后得到硅基陶瓷型芯。
47.本发明的有益效果为：
48.本发明公开了一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺，主要采用的原料为石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉，然后使用增塑剂进行黏结混合，在经过压制成型和烧结，最终得到的陶瓷型芯具有更好的耐高温性以及力学性能。
49.本发明在常规使用的石英玻璃粉中，选用了200～500目之间不同的粒度进行配比，粒度为200～300目、300～400目和400～500目，这样更加有利于后续粉料之间的结合度以及促进粉料的烧结作用。本发明还加入了硅酸锆粉作为矿化剂，能够促进后续石英玻璃粉的烧结和抑制石英玻璃粉的晶粒异常长大，防止降低抗折强度。此外，本发明加入了粒度为200～300目的云母粉，云母粉控制氧化硅的质量占比不低于48％，氧化铝的质量占比不低于30％，这样能够保证后续烧结的强度。
50.除此之外，本发明还自制了增强相粉作为添加剂使用，增强相粉为硼化铼/氧化钪复合物，即先通过二氧化铼与硼粉制备出硼化铼纳米粉，再与氯化钪和草酸铵在碱性条件下生成的钪盐反应液混合，之后加酸使钪盐沉淀，钪盐在沉淀的过程中会与硼化铼纳米粉结合从而形成共沉淀物。在此过程中利用了草酸根和钪离子在碱性条件下为澄清的溶液，在酸性条件下为沉淀的特性，使得钪盐沉淀，目的在于与硼化铼纳米粉的结合形成共沉淀。然后将硼化铼/钪盐复合物进行高温烧结，即得到了硼化铼/氧化钪复合物。硼化铼/氧化钪复合物的加入很明显的改善了陶瓷型芯材料的耐高温性以及高温力学性能。
具体实施方式
51.下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
52.实施例1
53.一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺，包括以下步骤：
54.步骤1，制备增强相粉：
55.s1.制备硼化铼纳米粉：
56.将二氧化铼、硼粉与氯化钠按照质量比为11.6:1:0.22混合至行星球磨仪中，使用氧化锆球以400rpm的速度球磨2h；将球磨后的产物置于坩埚内，再将坩埚放入石墨炉内，在惰性气体的保护下，先将石墨炉升温至800℃烧结1.5h，再将石墨炉升温至1100℃烧结
2.5h；将烧结后的产物与去离子水按照质量比为1:8混合，超声均匀后，升温至75℃，搅拌反应1.5h，过滤收集固体，之后将收集的固体依次使用蒸馏水和无水乙醇洗涤；将洗涤后的产物置于真空箱内干燥处理，粉碎后得到硼化铼纳米粉；
57.s2.制备钪盐反应液：
58.以氯化钪、草酸铵、聚乙二醇与去离子水按照质量比为1:3.6:0.03:18混合，调节反应液的ph为8.0～9.0，在常温的搅拌下进行反应，搅拌时间为0.8h，搅拌速度为300rpm，形成钪盐反应液；
59.s3.制备硼化铼/钪盐复合物：
60.将硼化铼纳米粉与钪盐反应液按照质量比为1:14混合，升温至70℃，先超声分散均匀，之后在搅拌的条件下不断降低反应液的ph，直至反应液的ph达到3.0～4.0后，过滤并收集固体，将过滤收集的固体使用纯化水清洗至清洗液为中性，真空干燥后，得到硼化铼/钪盐复合物；
61.s4.制备硼化铼/氧化钪复合物：
62.将硼化铼/钪盐复合物置于石墨炉内烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至600℃并保温处理1.5h；第二阶段升温至850℃，保温处理2.5h，得到硼化铼/氧化钪复合物，即增强相粉。
63.步骤2，准备硅基陶瓷型芯粉料：
64.分别称取石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉，置于粉料搅拌机中进行混合3h，得到硅基陶瓷型芯粉料；
65.步骤3，制备硅基陶瓷型芯混料：
66.将粉料搅拌机预热至110℃，按量称取增塑剂加热至熔融态后混入至硅基陶瓷型芯粉料，保温并混合8h，得到硅基陶瓷型芯混料；
67.步骤4，制备硅基陶瓷型芯：
68.将硅基陶瓷型芯混料置于模具中，压制成型后，放入石墨炉内进行烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至500℃并保温处理2h；第二阶段升温至1250℃，保温处理5h，冷却后得到硅基陶瓷型芯。
69.硅基陶瓷型芯的成分按照重量份数计算，包括：
70.90份石英玻璃粉、29份硅酸锆粉、18份增强相粉、12份云母粉和18份增塑剂。
71.石英玻璃粉的粒度为200～500目，其中，粒度为200～300目的石英玻璃粉、粒度为300～400目的石英玻璃粉与粒度为400～500目的石英玻璃粉的质量比为2.5:5:1.5；硅酸锆粉的粒度为200～300目；增强相粉的粒度为100～200目；云母粉的成分中，氧化硅的质量占比不低于48％，氧化铝的质量占比不低于30％；云母粉的粒度为200～300目；增塑剂由石蜡、蜂蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为89:6:2混合得到。
72.实施例2
73.一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺，包括以下步骤：
74.步骤1，制备增强相粉：
75.s1.制备硼化铼纳米粉：
76.将二氧化铼、硼粉与氯化钾按照质量比为10.2:1:0.15混合至行星球磨仪中，使用氧化锆球以200rpm的速度球磨1h；将球磨后的产物置于坩埚内，再将坩埚放入石墨炉内，在
惰性气体的保护下，先将石墨炉升温至700℃烧结1h，再将石墨炉升温至1000℃烧结2h；将烧结后的产物与去离子水按照质量比为1:5混合，超声均匀后，升温至65℃，搅拌反应1h，过滤收集固体，之后将收集的固体依次使用蒸馏水和无水乙醇洗涤；将洗涤后的产物置于真空箱内干燥处理，粉碎后得到硼化铼纳米粉；
77.s2.制备钪盐反应液：
78.以氯化钪、草酸铵、聚乙二醇与去离子水按照质量比为1:3.2:0.02:15混合，调节反应液的ph为8.0～9.0，在常温的搅拌下进行反应，搅拌时间为0.5h，搅拌速度为200rpm，形成钪盐反应液；
79.s3.制备硼化铼/钪盐复合物：
80.将硼化铼纳米粉与钪盐反应液按照质量比为1:12混合，升温至60℃，先超声分散均匀，之后在搅拌的条件下不断降低反应液的ph，直至反应液的ph达到3.0～4.0后，过滤并收集固体，将过滤收集的固体使用纯化水清洗至清洗液为中性，真空干燥后，得到硼化铼/钪盐复合物；
81.s4.制备硼化铼/氧化钪复合物：
82.将硼化铼/钪盐复合物置于石墨炉内烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至550℃并保温处理1h；第二阶段升温至800℃，保温处理2h，得到硼化铼/氧化钪复合物，即增强相粉。
83.步骤2，准备硅基陶瓷型芯粉料：
84.分别称取石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉，置于粉料搅拌机中进行混合2h，得到硅基陶瓷型芯粉料；
85.步骤3，制备硅基陶瓷型芯混料：
86.将粉料搅拌机预热至100℃，按量称取增塑剂加热至熔融态后混入至硅基陶瓷型芯粉料，保温并混合5h，得到硅基陶瓷型芯混料；
87.步骤4，制备硅基陶瓷型芯：
88.将硅基陶瓷型芯混料置于模具中，压制成型后，放入石墨炉内进行烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至450℃并保温处理1h；第二阶段升温至1200℃，保温处理4h，冷却后得到硅基陶瓷型芯。
89.硅基陶瓷型芯的成分按照重量份数计算，包括：
90.80份石英玻璃粉、26份硅酸锆粉、15份增强相粉、10份云母粉和15份增塑剂。
91.石英玻璃粉的粒度为200～500目，其中，粒度为200～300目的石英玻璃粉、粒度为300～400目的石英玻璃粉与粒度为400～500目的石英玻璃粉的质量比为2:5:1；硅酸锆粉的粒度为200～300目；增强相粉的粒度为100～200目；云母粉的成分中，氧化硅的质量占比不低于48％，氧化铝的质量占比不低于30％；云母粉的粒度为200～300目；增塑剂由石蜡、蜂蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为86:5:1混合得到。
92.实施例3
93.一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺，包括以下步骤：
94.步骤1，制备增强相粉：
95.s1.制备硼化铼纳米粉：
96.将二氧化铼、硼粉与氯化镁按照质量比为12.4:1:0.3混合至行星球磨仪中，使用
氧化锆球以500rpm的速度球磨3h；将球磨后的产物置于坩埚内，再将坩埚放入石墨炉内，在惰性气体的保护下，先将石墨炉升温至900℃烧结2h，再将石墨炉升温至1200℃烧结3h；将烧结后的产物与去离子水按照质量比为1:10混合，超声均匀后，升温至85℃，搅拌反应2h，过滤收集固体，之后将收集的固体依次使用蒸馏水和无水乙醇洗涤；将洗涤后的产物置于真空箱内干燥处理，粉碎后得到硼化铼纳米粉；
97.s2.制备钪盐反应液：
98.以氯化钪、草酸铵、聚乙二醇与去离子水按照质量比为1:3.8:0.05:20混合，调节反应液的ph为8.0～9.0，在常温的搅拌下进行反应，搅拌时间为1h，搅拌速度为500rpm，形成钪盐反应液；
99.s3.制备硼化铼/钪盐复合物：
100.将硼化铼纳米粉与钪盐反应液按照质量比为1:15混合，升温至80℃，先超声分散均匀，之后在搅拌的条件下不断降低反应液的ph，直至反应液的ph达到3.0～4.0后，过滤并收集固体，将过滤收集的固体使用纯化水清洗至清洗液为中性，真空干燥后，得到硼化铼/钪盐复合物；
101.s4.制备硼化铼/氧化钪复合物：
102.将硼化铼/钪盐复合物置于石墨炉内烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至650℃并保温处理2h；第二阶段升温至900℃，保温处理3h，得到硼化铼/氧化钪复合物，即增强相粉。
103.步骤2，准备硅基陶瓷型芯粉料：
104.分别称取石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和增强相粉，置于粉料搅拌机中进行混合4h，得到硅基陶瓷型芯粉料；
105.步骤3，制备硅基陶瓷型芯混料：
106.将粉料搅拌机预热至120℃，按量称取增塑剂加热至熔融态后混入至硅基陶瓷型芯粉料，保温并混合10h，得到硅基陶瓷型芯混料；
107.步骤4，制备硅基陶瓷型芯：
108.将硅基陶瓷型芯混料置于模具中，压制成型后，放入石墨炉内进行烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至550℃并保温处理3h；第二阶段升温至1300℃，保温处理6h，冷却后得到硅基陶瓷型芯。
109.硅基陶瓷型芯的成分按照重量份数计算，包括：
110.100份石英玻璃粉、33份硅酸锆粉、21份增强相粉、15份云母粉和20份增塑剂。
111.石英玻璃粉的粒度为200～500目，其中，粒度为200～300目的石英玻璃粉、粒度为300～400目的石英玻璃粉与粒度为400～500目的石英玻璃粉的质量比为3:5:2；硅酸锆粉的粒度为200～300目；增强相粉的粒度为100～200目；云母粉的成分中，氧化硅的质量占比不低于48％，氧化铝的质量占比不低于30％；云母粉的粒度为200～300目；增塑剂由石蜡、蜂蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为92:8:3混合得到。
112.对比例
113.一种用于航空发动机的陶瓷型芯的制备工艺，包括以下步骤：
114.步骤1，准备硅基陶瓷型芯粉料：
115.分别称取石英玻璃粉、硅酸锆粉、云母粉和氧化钪粉，置于粉料搅拌机中进行混合
3h，得到硅基陶瓷型芯粉料；
116.步骤2，制备硅基陶瓷型芯混料：
117.将粉料搅拌机预热至110℃，按量称取增塑剂加热至熔融态后混入至硅基陶瓷型芯粉料，保温并混合8h，得到硅基陶瓷型芯混料；
118.步骤3，制备硅基陶瓷型芯：
119.将硅基陶瓷型芯混料置于模具中，压制成型后，放入石墨炉内进行烧结，烧结分为两个阶段：第一阶段升温至500℃并保温处理2h；第二阶段升温至1250℃，保温处理5h，冷却后得到硅基陶瓷型芯。
120.硅基陶瓷型芯的成分按照重量份数计算，包括：
121.90份石英玻璃粉、29份硅酸锆粉、18份氧化钪粉、12份云母粉和18份增塑剂。
122.石英玻璃粉的粒度为200～500目，其中，粒度为200～300目的石英玻璃粉、粒度为300～400目的石英玻璃粉与粒度为400～500目的石英玻璃粉的质量比为2.5:5:1.5；硅酸锆粉的粒度为200～300目；氧化钪粉的粒度为100～200目；云母粉的成分中，氧化硅的质量占比不低于48％，氧化铝的质量占比不低于30％；云母粉的粒度为200～300目；增塑剂由石蜡、蜂蜡和乙烯-醋酸乙烯共聚物按照质量比为89:6:2混合得到。
123.为了更加清楚的说明本发明，将本发明实施例1～3以及对比例中所制备得到的陶瓷型芯的性能进行检测，结果如表1所示：
124.表1不同陶瓷型芯的性能比较
[0125] 实施例1实施例2实施例3对比例孔隙率(％)30.231.531.330.8室内抗弯强度(mpa)47.646.349.840.51500℃抗弯强度(mpa)33.231.034.525.41500℃挠度(mm)1.291.121.430.71烧结收缩率(％)0.570.620.590.86
[0126]
由表1的检测结果可知，本发明实施例1～3制备得到的陶瓷型芯具有更为优异的力学强度，室内抗弯强度和高温(1500℃)的抗弯强度更高，以及更高的高温(1500℃)挠度，说明高温稳固性更强，烧结收缩率更低，说明具有更好的尺寸稳定性。
[0127]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。