CN103193508A - 一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，通过高温烧结下氧化钇与氧化铝合成钇铝石榴石高温强化相，同时采用氧化镁抑制高温烧结条件下氧化铝晶粒的生长，并通过氧化钛固溶强化氧化铝以提高氧化铝基陶瓷铸型高温强度；最后采用氯化钇离子溶液浸渍氧化铝基陶瓷铸型，以便钇离子均匀分布于复杂结构氧化铝基陶瓷铸型内部，一方面促使高温烧结下氯离子与氧化铝陶瓷材料中杂质Na、K离子反应形成氯化纳和氯化钾，去除元素Na、K，另一方面促使高温烧结下钇离子与氧化铝反应二次形成钇铝石榴石高温强化相。该发明可应用于空心涡轮叶片型芯型壳一体化氧化铝基陶瓷铸型高温性能的提高，提高定向凝固高温合金叶片的合格率。

Description

一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法

技术领域

本发明属于快速铸造技术领域，涉及一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的第一关键部件，因其工作温度最高、应力最复杂、环境最恶劣而被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片在更高温度下工作可获得更高的功率，研究表明，燃气进口温度在1073K~1273K的范围内每提升100℃，燃气轮机的输出功率将会增加20%~25%，节省燃料6%~7%。然而受金属熔点的限制，现有用于制备涡轮叶片的耐热合金所能承受的温度已经达到了极限。为了解决该问题，通常的做法是对工作在高温环境中的涡轮叶片进行冷却。因而改善叶片的冷却结构，提高叶片的冷却效率已经成为提高叶片耐高温能力的主要途径。采用现有涡轮叶片制造方法，很难制造复杂冷却结构空心涡轮叶片。基于光固化成型技术的整体式陶瓷铸型制造工艺为解决复杂冷却结构空心涡轮叶片的制造提供了新途径，其工艺流程如下：首先采用光固化成型技术制造出涡轮叶片的SL树脂负型；其次，制备陶瓷浆料，利用凝胶注模成型方法将陶瓷浆料注入SL树脂负型，待陶瓷浆料原位固化后，利用真空冷冻干燥技术去除水分，同时保证坯体的尺寸精度；然后，烧失光固化树脂负型，建立预烧结强度；采用压缩气流去除残留灰烬，通过氯化钇离子溶液进行浸渍，然后烧结到高温1300~1500℃，以进一步提高铸型高温强度，满足定向凝固的技术要求；最后，浇注高温金属液至陶瓷铸型，定向凝固后对铸件进行脱芯处理，实现空心涡轮叶片。

在涡轮叶片定向凝固铸造中，整体式陶瓷铸型不但承受高温金属液的热冲击和机械冲击，而且陶瓷铸型通常要在1500℃以上的高温金属液中保持较长一段时间。因此，陶瓷铸型必须具备优良的高温力学性能。但是由于陶瓷型芯型壳一体化制造过程中采用同种陶瓷材料，并且陶瓷铸型孔隙率较大，导致陶瓷铸型高温力学性能很难满足定向凝固的技术要求。为此，必须对陶瓷铸型进行强化处理。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，通过固溶强化和合成高温强化相，同时采用高温条件下通过化合反应去除玻璃相形成的元素Na和K元素，提高了氧化铝基陶瓷铸型的高温力学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，包括以下步骤：

1）制备含氧化铝、氧化钛、氧化钇和氧化镁的陶瓷浆料，通过凝胶注模工艺制造空心涡轮叶片的氧化铝基陶瓷铸型坯体；

2）在-30～-60℃条件下，待氧化铝基陶瓷坯体中结晶水形成冰晶后，10~100Pa条件下真空干燥，然后预烧结得到陶瓷制品；

3）将陶瓷制品放入氯化钇离子溶液中真空浸渍，使氯化钇离子溶液充分、均匀的渗入陶瓷制品内部孔隙中；

4）将浸渍陶瓷制品二次真空冷冻干燥，然后高温烧结，烧结温度为1200～1500℃，使氧化钇与氧化铝基陶瓷制品反应生成耐高温强化相钇铝石榴石；其中，氧化镁抑制高温烧结条件下氧化铝晶粒的生长，氧化钛固溶强化氧化铝，同时将高温合成的氯化钠、氯化钾和氯化镁蒸发去除，提高空心涡轮叶片陶瓷铸型的高温力学性能。

以质量份数计，所述的陶瓷浆料中包括以下组分的氧化物：

85～90份的氧化铝、1～5份的氧化镁、5～10份的氧化钇、0.2～1份的氧化钛。

所述的氧化铝包括多种粒径大小的颗粒，至少包括粒径为30～40μm和2～5μm两种颗粒的氧化铝；

所述的氧化镁、氧化钛的粒径大小均为30～40μm；氧化钇的粒径大小为20～50nm。

所述的通过凝胶注模工艺制备空心涡轮叶片的氧化铝基陶瓷坯体，包括以下步骤：

1）按凝胶注模工艺要求，将一定质量比例的丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和聚丙烯酸钠，混合后加入去离子水，搅拌溶解，配制成有机物质量浓度为10～20%的预混液；

2）按以下质量比例，将85～90%的氧化铝、1～5%的氧化镁、5～10%的氧化钇和0.2～1%的氧化钛充分混匀，得到固体粉料；

3）将固体粉料加入到预混液中，充分搅拌，并调节pH为9～11，制备得到固相含量为55～65%的陶瓷浆料；

4）将陶瓷浆料充分球磨分散后，向陶瓷浆料中分别加入催化剂、引发剂，搅拌均匀后浇注到高空心涡轮叶片模具中，待陶瓷浆料中的有机物固化反应完成，得到氧化铝基陶瓷坯体。

所述的氧化铝基陶瓷坯体在-30～-60℃条件下冷冻后，在真空度为10～100Pa下真空干燥，脱模后在1100～1300℃下烧结1～3h得到具有抗弯强度的陶瓷制品。

所述的氯化钇离子溶液的质量浓度为10～30%，真空浸渍的真空度为1000～3000Pa，浸渍时间为5～20min。

所述还通过减小真空度来增强浸渍效果，其中最低真空度下浸渍氯化钇离子溶液不沸腾。

所述还通过增加真空浸渍次数的来提高真空浸渍效果，重复浸渍过程为：浸渍完成、真空冷冻干燥、高温排胶、再次浸渍；真空冷冻干燥在-30～-60℃、10～100Pa下进行，高温排胶温度为700～1000℃。

所述还通过对氯化钇溶液进行1000~3000Pa真空脱气处理，直至氯化钇溶液中不再产生气泡以提高浸渍效率。

所述将浸渍陶瓷制品在真空度10～100Pa条件下真空冷冻干燥；在1200～1500℃下烧结3～6h，使氧化钇与氧化铝基的陶瓷制品反应生成高温强化相钇铝石榴石。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，采用常规的凝胶注模工艺氧化铝基陶瓷坯体，烧结生成具有孔隙的氧化铝基陶瓷制品，然后再通过浸渍氯化钇溶液，其分子直径小于1nm，容易浸入到陶瓷制品内部，浸入氧化铝基陶瓷材料孔隙后，氯化钇溶液在高温下转化为细小的氧化钇颗粒。高温烧结时，氧化钇颗粒与氧化铝基体发生反应生成耐高温强化相——钇铝石榴石，从而达到提高氧化铝基陶瓷材料高温力学性能的目的。

本发明提出的一种提高空心涡轮叶片氧化铝基陶瓷铸型高温力学性能的方法，主要通过添加氧化钛、氧化钇、氧化镁矿化剂，并采用氯化钇离子溶液浸渍。在浸渍后：在高温烧结下氧化钇与氧化铝生成钇铝石榴石高温强化相，同时采用氧化镁抑制高温烧结条件下氧化铝晶粒的生长，并通过氧化钛固溶强化氧化铝以提高氧化铝基陶瓷铸型高温强度；而且采用氯化钇离子溶液浸渍氧化铝基陶瓷铸型，以便钇离子均匀分布于复杂结构氧化铝基陶瓷铸型内部，一方面促使高温烧结下氯离子与氧化铝陶瓷材料中杂质Na、K离子反应形成氯化钠和氯化钾，利用1300℃以上氯化钠和氯化钾容易蒸发的特点，去除元素Na、K，另一方面促使高温烧结下钇离子与氧化铝反应二次形成钇铝石榴石高温强化相，从而制造高温力学性能良好的陶瓷铸型。

进一步，本发明还通过包括减小真空度、增加真空浸渍次数、增加振动源来提高浸渍效率。

本发明提供的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，提高高温力学性能效果明显：

采用GKZ高温抗折仪测试陶瓷标样的强度，标样规格为60mm×10mm×4mm，支撑跨距为30mm，测试温度为1300℃。浸渍前陶瓷标样在1300℃的强度为15~18MPa，浸渍两次氯化钇溶液后，标样强度提高到25~30MPa。本发明可应用于空心涡轮叶片型芯型壳一体化氧化铝基陶瓷铸型高温性能的提高，通过本发明制造的空心涡轮叶片氧化铝基陶瓷铸型具有较高的高温强度，从而提高了定向凝固高温合金叶片的合格率。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，包括以下步骤：

1）制备含氧化铝、氧化钛、氧化钇和氧化镁的陶瓷浆料，通过凝胶注模工艺制备空心涡轮叶片的氧化铝基陶瓷铸型坯体；

2）在-30～-60℃条件下，待氧化铝基陶瓷坯体中结晶水形成冰晶后，10~100Pa条件下真空干燥，然后预烧结得到陶瓷制品；

3）将陶瓷制品放入氯化钇离子溶液中真空浸渍，使氯化钇离子溶液充分渗入陶瓷制品内部孔隙中；

4）将浸渍陶瓷制品二次真空冷冻干燥，然后高温烧结，烧结温度为1200～1500℃，使氧化钇与氧化铝基陶瓷制品反应生成耐高温强化相钇铝石榴石；其中，氧化镁抑制高温烧结条件下氧化铝晶粒的生长，氧化钛固溶强化氧化铝，同时将高温合成的氯化钠、氯化钾和氯化镁蒸发去除，促使高温烧结下钇离子与氧化铝反应二次形成钇铝石榴石高温强化相，提高空心涡轮叶片陶瓷铸型的高温力学性能。

下面以实施例进行详细的说明：

实施例1

一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，包括以下步骤：

（1）通过凝胶注模工艺制备氧化铝基陶瓷坯体

1）按质量比20～25:1的质量比例，具体为24:1的比例，称量丙烯酰胺（AM，单体）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM，交联剂）以及聚丙烯酸钠（分散剂）（固相粉体2wt%）等有机物，混入去离子水中，搅拌溶解，配制成有机物浓度为15%的预混液。

2按质量比例称量固体粉料（30~40μm氧化铝：2~5μm氧化铝：30~40μm氧化镁：20~50nm氧化钇：30~40μm氧化钛=55~60:26~31:2~3:6~8:0.5~1），并将固体粉料在容器中搅拌、混合均匀。

3）将混合均匀的固体粉料缓慢加入到预混液中，并不断搅拌，加入适量氨水调节PH至9~11，制备出固相含量为55-65%的陶瓷浆料。

4）将浆料在行星式球磨机上球磨1小时，进行分散，获得流动性良好的陶瓷浆料。

5）向陶瓷浆料中分别加入催化剂（四甲基乙二胺）、引发剂（过硫酸铵溶液），搅拌均匀后在振动成型机上浇注到模具中，在5~15min内，陶瓷浆料中的有机物发生固化反应，形成陶瓷坯体。

（2）预烧结得到具有一定强度的陶瓷制品

将陶瓷坯体放入-30℃—-60℃的冷冻柜中，待坯体中结晶水完全冻结成冰晶后，利用真空冷冻干燥工艺进行干燥（真空度为10~100Pa）。将冷冻干燥后的陶瓷制品脱模后放入高温烧结炉中进行预烧结，烧结温度为1250℃，烧结2-4h以便去除树脂负型和提高生坯强度。

（3）真空浸渍

1）将预烧结后具有一定室温强度的陶瓷坯体浸入质量浓度为20%-30%的氯化钇溶液中进行真空浸渍，真空度约为1000-3000Pa，浸渍时间为10min。

2）一次浸渍完成后，对陶瓷制品再次进行真空冷冻干燥，然后将其加热到800℃～1000℃进行烧结处理，重复浸渍2至3次。

（4）高温烧结

将浸渍陶瓷制品真空冷冻干燥，然后对浸渍陶瓷铸型进行高温烧结，烧结温度为1400℃～1500℃，烧结时间为3～6h。

采用GKZ高温抗折仪测试陶瓷标样的强度，标样规格为60mm×10mm×4mm，支撑跨距为30mm，测试温度为1300℃。浸渍前陶瓷标样高温强度为15~18MPa，浸渍两次氯化钇溶液后，标样高温强度提高到25~30MPa。

实施例2

一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，包括以下步骤：

（1）通过凝胶注模工艺制备氧化铝基陶瓷坯体

1）按25:1的质量比例称量丙烯酰胺（AM，单体）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM，交联剂）以及聚丙烯酸钠（分散剂）（固相粉体2wt%）等有机物，混入去离子水中，搅拌溶解，配制成有机物浓度为10%的预混液。

2按质量比例称量固体粉料（30~40μm氧化铝：2~5μm氧化铝：30~40μm氧化镁：20~50nm氧化钇：30~40μm氧化钛=40~65:25~38:4~5:5~10:0.2~0.5），并将固体粉料在容器中搅拌、混合均匀。

3）将混合均匀的固体粉料缓慢加入到预混液中，并不断搅拌，加入适量氨水调节PH至10~10.8，制备出固相含量为60%的陶瓷浆料。

4）将浆料在行星式球磨机上球磨1小时，进行分散，获得流动性良好的陶瓷浆料。

5）向陶瓷浆料中分别加入催化剂（四甲基乙二胺）、引发剂（过硫酸铵溶液），搅拌均匀后在振动成型机上浇注到模具中，在5~15min内，陶瓷浆料中的有机物发生固化反应，形成陶瓷坯体。

（2）预烧结得到具有一定强度的陶瓷制品

将陶瓷坯体放入-30℃—-60℃的冷冻柜中，待坯体中结晶水完全冻结成冰晶后，利用真空冷冻干燥工艺进行干燥（真空度为10~100Pa）。将冷冻干燥后的陶瓷制品脱模后放入高温烧结炉中进行预烧结，烧结温度为1200℃，以便去除树脂负型和提高生坯强度。

（3）真空浸渍

1）将预烧结后具有一定室温强度的陶瓷坯体浸入质量浓度为20%-30%的氯化钇溶液中进行真空浸渍，真空度约为2000-3000Pa，浸渍时间为5～8min。

2）一次浸渍完成后，对陶瓷制品再次进行真空冷冻干燥，然后将其加热到800℃～1000℃进行烧结处理，烧结1-2h，重复浸渍2至3次。

（4）高温烧结

将浸渍陶瓷制品真空冷冻干燥，然后对浸渍陶瓷铸型进行高温烧结，烧结温度为1300℃～1500℃。

实施例3

一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，包括以下步骤：

（1）通过凝胶注模工艺制备氧化铝基陶瓷坯体

1）按质量比20:1的质量比例，称量丙烯酰胺（AM，单体）和N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM，交联剂）以及聚丙烯酸钠（分散剂）（固相粉体2wt%）等有机物，混入去离子水中，搅拌溶解，配制成有机物浓度为20%的预混液。

2按质量比例称量固体粉料（30~40μm氧化铝：2~5μm氧化铝：30~40μm氧化镁：20~50nm氧化钇：30~40μm氧化钛=60~65:20~35:1~4:7~10:0.5~0.8），并将固体粉料在容器中搅拌、混合均匀。

3）将混合均匀的固体粉料缓慢加入到预混液中，并不断搅拌，加入适量氨水调节PH至9~10，制备出固相含量为55-65%的陶瓷浆料。

4）将浆料在行星式球磨机上球磨1小时，进行分散，获得流动性良好的陶瓷浆料。

5）向陶瓷浆料中分别加入催化剂（四甲基乙二胺）、引发剂（过硫酸铵溶液），搅拌均匀后在振动成型机上浇注到模具中，在10~15min内，陶瓷浆料中的有机物发生固化反应，形成陶瓷坯体。

（2）预烧结得到具有一定强度的陶瓷制品

将陶瓷坯体放入-30℃—-60℃的冷冻柜中，待坯体中结晶水完全冻结成冰晶后，利用真空冷冻干燥工艺进行干燥（真空度为10~100Pa）。将冷冻干燥后的陶瓷制品脱模后放入高温烧结炉中进行预烧结，烧结温度为1200℃，烧结2-4h以便去除树脂负型和提高生坯强度。

（3）真空浸渍

1）将预烧结后具有一定室温强度的陶瓷坯体浸入质量浓度为10%-15%的氯化钇溶液中进行真空浸渍，真空度约为1000-1500Pa，浸渍时间为15-20min。

2）一次浸渍完成后，对陶瓷制品再次进行真空冷冻干燥，然后将其加热到800℃～1000℃进行烧结处理，重复浸渍2至3次。

（4）高温烧结

将浸渍陶瓷制品真空冷冻干燥，然后对浸渍陶瓷铸型进行高温烧结，烧结温度为1400℃～1500℃，烧结时间为3～6h。

Claims (10)

1.一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制备含氧化铝、氧化钛、氧化钇和氧化镁的陶瓷浆料，通过凝胶注模工艺制造空心涡轮叶片的氧化铝基陶瓷铸型坯体；

2）在-30～-60℃条件下，待氧化铝基陶瓷坯体中结晶水形成冰晶后，10~100Pa条件下真空干燥，然后预烧结得到陶瓷制品；

3）将陶瓷制品放入氯化钇离子溶液中真空浸渍，使氯化钇离子溶液充分渗入陶瓷制品内部孔隙中；

4）将浸渍陶瓷制品真空冷冻干燥，然后高温烧结，烧结温度为1200～1500℃，使氧化钇与氧化铝基陶瓷制品反应生成耐高温强化相钇铝石榴石；其中，氧化镁抑制高温烧结条件下氧化铝晶粒的生长，氧化钛固溶强化氧化铝，同时将高温合成的氯化钠、氯化钾和氯化镁蒸发去除，提高空心涡轮叶片陶瓷铸型的高温力学性能。

2.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，以质量份数计，所述的陶瓷浆料中包括以下组分的氧化物：

85～90份的氧化铝、1～5份的氧化镁、5～10份的氧化钇、0.2～1份的氧化钛。

3.如权利要求2所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，所述的氧化铝包括多种粒径大小的颗粒，至少包括粒径为30～40μm和2～5μm两种颗粒的氧化铝；

所述的氧化镁、氧化钛的粒径大小均为30～40μm；氧化钇的粒径大小为20～50nm。

4.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，所述的通过凝胶注模工艺制备空心涡轮叶片的氧化铝基陶瓷坯体，包括以下步骤：

1）按凝胶注模工艺要求，将一定质量比例的丙烯酰胺、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和聚丙烯酸钠，混合后加入去离子水，搅拌溶解，配制成有机物质量浓度为10～20%的预混液；

2）按以下质量比例，将85～90%的氧化铝、1～5%的氧化镁、5～10%的氧化钇和0.2～1%的氧化钛充分混匀，得到固体粉料；

3）将固体粉料加入到预混液中，充分搅拌，并调节pH为9～11，制备得到固相含量为55～65%的陶瓷浆料；

4）将陶瓷浆料充分球磨分散后，向陶瓷浆料中分别加入催化剂、引发剂，搅拌均匀后浇注到高空心涡轮叶片模具中，待陶瓷浆料中的有机物固化反应完成，得到氧化铝基陶瓷坯体。

5.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，所述的氧化铝基陶瓷坯体在-30～-60℃条件下冷冻后，在真空度为10～100Pa下真空干燥，脱模后在1100～1300℃下烧结1～3h得到具有抗弯强度的陶瓷制品。

6.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，所述的氯化钇离子溶液的质量浓度为10～30%，真空浸渍的真空度为1000～3000Pa，浸渍时间为5～20min。

7.如权利要求6所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，还通过减小真空度来增强浸渍效果，其中最低真空度下浸渍氯化钇离子溶液不沸腾。

8.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，还通过增加真空浸渍次数的来提高真空浸渍效果，重复浸渍过程为：浸渍完成、真空冷冻干燥、高温排胶、再次浸渍；真空冷冻干燥在-30～-60℃、10～100Pa下进行，高温排胶温度为700～1000℃。

9.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，还通过对氯化钇溶液进行1000~3000Pa真空脱气处理，直至氯化钇溶液中不再产生气泡以提高浸渍效率。

10.如权利要求1所述的提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法，其特征在于，将浸渍陶瓷制品在真空度10～100Pa条件下真空冷冻干燥；在1200～1500℃下烧结3～6h，使氧化钇与氧化铝基的陶瓷制品反应生成高温强化相钇铝石榴石。