一種高性能定向凝固用陶瓷模殼及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高性能定向凝固用陶瓷模殼及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最關(guān)鍵零件之一，渦輪葉片的工作性能直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。目前，第二代單晶合金的工作極限溫度在1100°c以下，若要在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度最高達(dá)1600°c的惡劣環(huán)境下服役，需在葉片設(shè)計(jì)中采用復(fù)雜的氣流內(nèi)冷通道，通過(guò)氣流冷卻來(lái)有效降低葉片材料的實(shí)際承受溫度?？招娜~片的應(yīng)用也較大程度的降低了葉片的重量。然而，鑄件復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和薄壁的特點(diǎn)無(wú)疑增加了鑄造難度。制殼工藝過(guò)程作為熔模鑄造的關(guān)鍵過(guò)程對(duì)鑄件的質(zhì)量具有重要影響。
[0003]國(guó)內(nèi)研制的EC95和811系列定向凝固用陶瓷模殼均為電熔剛玉-硅溶膠系模殼，其強(qiáng)度主要由模殼中生成的二次莫來(lái)石建立，而二次莫來(lái)石的形成溫度在1400°C以上，若模殼的二次莫來(lái)石化不充分則模殼強(qiáng)度很難保障，從而使得定向凝固鑄件的尺寸精度和冶金質(zhì)量受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，設(shè)計(jì)一種尺寸穩(wěn)定性佳、殘留強(qiáng)度適中、安全且使用方便的高性能定向凝固用陶瓷模殼。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高性能定向凝固用陶瓷模殼，其特征在于，所述陶瓷模殼由面層、過(guò)渡層、加固層和封漿層層疊組成，沿面層至封漿層所述加固層由第一加固層和第二加固層交替層疊組成，所述第一加固層的耐火材料為鋯英粉和電熔剛玉砂，所述第二加固層的耐火材料為電熔剛玉粉和電熔剛玉砂。
[0006]優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述第一加固層和第二加固層的總層數(shù)是4?10層。
[0007]對(duì)于鎳基高溫合金，當(dāng)澆注溫度低于1540°C時(shí)，用鋯英粉作面層料漿的耐火材料能有效降低鑄件表面粗糙度，優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述面層的耐火材料為鋯英粉和電熔剛玉砂。
[0008]當(dāng)澆注溫度低于1540°C時(shí)，過(guò)渡層采用鋯英粉模殼比電熔剛玉模殼的強(qiáng)度高，為了加強(qiáng)模殼的強(qiáng)度，同時(shí)防止外層模殼剝落現(xiàn)象，優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述過(guò)渡層的耐火材料為鋯英粉和電熔剛玉砂，所述封漿層的耐火材料為鋯英粉或電熔剛玉粉。
[0009]本發(fā)明的目的還在于提供一種高性能定向凝固用陶瓷模殼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
51:制備錯(cuò)豐吳；
52:將蠟?zāi)＝氲侥突鸾M分為鋯英粉的面層漿料中，靜止5?30s后取出，然后通過(guò)淋砂機(jī)將電熔剛玉砂淋掛在蠟?zāi)１砻嬷镣耆采w表面漿料，干燥蠟?zāi)＜闯擅鎸樱?br>53:將帶面層的蠟?zāi)＝氲侥突鸾M分為鋯英粉的預(yù)濕漿料中，靜止5?30s后取出，再將蠟?zāi)＝肽突鸾M分為鋯英粉的第一背層漿料中，靜止5?30s后取出，通過(guò)淋砂機(jī)將電熔剛玉砂淋掛在蠟?zāi)１砻嬷镣耆采w表面漿料，干燥后重復(fù)該步驟I?2次即得過(guò)渡層；
54:將帶面層和過(guò)渡層的蠟?zāi)＝氲侥突鸾M分為鋯英粉的預(yù)濕漿料中，靜止5?30s后取出；
55:將預(yù)濕后的蠟?zāi)＝肽突鸾M分為鋯英粉的第一背層漿料中，靜止5?30s后取出，通過(guò)淋砂機(jī)將電熔剛玉砂淋掛在蠟?zāi)１砻嬷镣耆采w表面漿料，干燥，得外層是第一加固層的蠟?zāi)＃?br> 56:將S5所得蠟?zāi)＝肽突鸾M分為電熔剛玉粉的第二背層漿料中，靜止5?30s后取出，通過(guò)淋砂機(jī)將電熔剛玉砂淋掛在蠟?zāi)１砻嬷镣耆采w表面漿料，干燥，得外層是第二加固層的蠟?zāi)＃?br> 57:重復(fù)S5和S6至蠟?zāi)Ｍ獾牡谝患庸虒雍偷诙庸虒拥目倢訑?shù)達(dá)到4?10，即得加固層;
58:將S7所得蠟?zāi)＝氲谝槐硨訚{料或第二背層漿料中，干燥，得封漿層；
59:脫蠟，模殼燒結(jié)，得陶瓷模殼。
[0010]為了滿足背層模殼有良好的強(qiáng)度和退讓性，故背層料漿的成分優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述第一背層漿料的組成包括粘結(jié)劑硅溶膠、潤(rùn)濕劑、殺菌劑、消泡劑、鋯英粉和乳膠，鋯英粉與硅溶膠的固液比為3.95?4.26千克/升，潤(rùn)濕劑與硅溶膠的體積百分比為0.7?
1.1%，消泡劑與硅溶膠的體積百分比為0.2?0.4%，乳膠與硅溶膠的體積百分比為4?6%，殺菌劑與鋯英粉的重量百分比為0.007?0.011% ;所述第二背層漿料的組成包括粘結(jié)劑硅溶膠、潤(rùn)濕劑、殺菌劑、消泡劑、電熔剛玉粉和乳膠，電熔剛玉粉與硅溶膠的固液比為3?3.5千克/升，潤(rùn)濕劑與硅溶膠的體積百分比為0.7?1.1%，消泡劑與硅溶膠的體積百分比為0.2?0.4%，乳膠與硅溶膠的體積百分比為4?6%，殺菌劑與電熔剛玉粉的重量百分比為 0.0105 ?0.017%。
[0011]為了滿足面層模殼的低粗糙度和高溫穩(wěn)定性，故面層料漿的成分優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述面層漿料的組成包括粘結(jié)劑硅溶膠、潤(rùn)濕劑、成膜劑、殺菌劑、消泡劑、鋯英粉和乳膠，鋯英粉與硅溶膠的固液比為4.16?4.36千克/升，潤(rùn)濕劑與硅溶膠的體積百分比為0.7?1.1%，成膜劑與硅溶膠的體積百分比為2.8?4.5%，消泡劑與硅溶膠的體積百分比為0.2?0.4%，乳膠與硅溶膠的體積百分比為4?6.5%，殺菌劑與鋯英粉的重量百分比為
0.0065?0.01% ;所述預(yù)濕漿料的組成包括粘結(jié)劑硅溶膠、潤(rùn)濕劑、殺菌劑、消泡劑、鋯英粉、乳膠，鋯英粉與硅溶膠的固液比為1.75?2.15千克/升，潤(rùn)濕劑與硅溶膠的體積百分比為0.7?1.1%，消泡劑與硅溶膠的體積百分比為0.2?0.4%，乳膠與硅溶膠的體積百分比為4?6%，殺菌劑與鋯英粉的重量百分比為0.0135?0.023%。
[0012]為確保蒸汽脫蠟時(shí)，脫蠟釜內(nèi)的升壓速度盡可能快、降壓過(guò)程不致脹裂模殼，優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述S9中脫蠟工序的溫度為170?180°C，脫蠟蒸汽壓按照下述方式控制:I bar — 6 bar升壓持續(xù)時(shí)間不大于2s — 9.6 bar升壓持續(xù)時(shí)間4min — Ibar降壓持續(xù)時(shí)間 15min。
[0013]為確保焙燒時(shí)模殼中的水分和有機(jī)物充分蒸發(fā)，本焙燒工藝米用階梯式升溫和降溫，優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述模殼燒結(jié)的溫度按照下述方式控制:300°C— 600°C升溫持續(xù)時(shí)間7min保溫26min — 950°C升溫持續(xù)時(shí)間23min保溫62min — 850°C降溫持續(xù)時(shí)間7min保溫29min — 700°C降溫持續(xù)時(shí)間1min保溫30min — 600°C降溫持續(xù)時(shí)間5min保溫31min — 300°C降溫持續(xù)時(shí)間32min保溫5min。
[0014]為確保模殼具有足夠的高溫強(qiáng)度，硅溶膠采用S12含量為29%_31%、膠粒直徑為12nm的HS-30 ;為維持漿料的堿性環(huán)境，降低其局部膠凝的風(fēng)險(xiǎn)，潤(rùn)濕劑采用中性的Victawet 12 (pH 值為 7.0-7.4)，殺菌劑采用中性的 Dowicil 200 (pH 為 6.5-7.5)，消泡劑采用堿性的Fumexol 100，海藻酸胺采用堿性的E403 (1%水溶液的pH值為7.0-8.0)。
[0015]優(yōu)選的技術(shù)方案為，所述硅溶膠為HS-30硅溶膠；所述潤(rùn)濕劑為Victawet 12 ;所述殺菌劑為Dowicil 200 ;所述消泡劑為Fumexol 100 ;所述成膜劑為海藻酸錢。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于:
電熔剛玉層模殼強(qiáng)度較高，有利于高溫澆注時(shí)模殼尺寸的穩(wěn)定性；鋯英層模殼的強(qiáng)度相對(duì)較低，可保證模殼具有合適的殘留強(qiáng)度，降低脫殼后單晶鑄件的殘留應(yīng)力。本發(fā)明模殼的加固層采用鋯英粉模殼和電熔剛玉粉模殼交替層疊的結(jié)構(gòu)，可使模殼既有較高的強(qiáng)度，又有合適的退讓性:
其次，該模殼所用粘結(jié)劑為硅溶膠，此類模殼在干燥時(shí)只是向環(huán)境中蒸發(fā)水分，與現(xiàn)有技術(shù)中硅酸乙酯和水玻璃模殼在干燥時(shí)會(huì)向環(huán)境蒸發(fā)出乙醇和氨氣等物質(zhì)相比，能保證生產(chǎn)環(huán)境操作人員的健康。
[0017]另外本模殼只須焙燒充分就能獲得可靠的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及較低的殘留強(qiáng)度，無(wú)須通過(guò)高溫化學(xué)反應(yīng)來(lái)建立強(qiáng)度，將該模殼應(yīng)用于單晶葉片的熔模鑄造能有助于提尚廣品合格率。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]實(shí)施例1
實(shí)施例1高性能定向凝固用陶瓷模殼由面層、過(guò)渡層、加固層和封漿層層疊組成，加固層由第一加固層和第二加固層交替層疊組成，第一加固層的耐火材料為鋯英粉和電熔剛玉砂，第二加固層的耐火材料為電熔剛玉粉和電熔剛玉砂，第一加固層和第二加固層的總層數(shù)是4層，即陶瓷模殼沿面層至封漿層依次為面層、過(guò)渡層、第一加固層、第二加固層、第一加固層、第二加固層、耐火材料為鋯英粉的封漿層。
[0020]在實(shí)施例1中，第一加固層中的鋯英粉和第二加固層中的電熔剛玉粉的粒徑均為300目，第一加固層和第二加固層中的電熔剛玉砂粒徑為14?21目。
[0021]在實(shí)施例1中，封漿層的耐火材料