一种航空发动机用陶瓷型芯及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种航空发动机用陶瓷型芯及其制备方法，涉及陶瓷型芯制造与生产技术领域。该陶瓷型芯包括基体粉料和纤维增强材料；上述基体粉料包括石英玻璃粉和锆英粉，以及有机硅树脂或改性有机硅树脂；上述改性有机硅树脂的原料组成至少包括光叶花椒宁；上述纤维增强材料包括氧化铝纤维。本发明专利技术制备的陶瓷型芯具有更优的抗弯强度，其陶瓷颗粒烧结性能显著改善；且抗高温蠕变性能有效提升，孔隙率增加，易于溶出脱除。易于溶出脱除。易于溶出脱除。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机用陶瓷型芯及其制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷型芯制造与生产
，具体涉及一种航空发动机用陶瓷型芯及其制备方法。

技术介绍

[0002]航空发动机随着性能的不断提高，其位于关键部位的涡轮叶片为了能承受更高的温度和更加苛刻的使用环境则大多为空心结构，而陶瓷型芯则是形成空心叶片复杂型腔所必不可少的环节，因此陶瓷型芯不仅要满足空心叶片内腔精密的尺寸精度要求，同时还要在熔模铸造使用过程中要承受高压、高速蜡液的冲击脱蜡时要承受热水和蒸汽的蒸煮型壳焙烧时长时间的高温作用浇注时还要承受金属液的机械冲击和热冲击，而适量矿化剂的加入可以降低型芯的烧结温度、减少烧结时间，同时保持或提升陶瓷型芯的综合性能，加入的矿化剂与基体材料产生相互作用，促使晶格活化，进而生成固溶体；或在烧结温度下矿化剂转变为液相黏结基体材抖；或阻止基体材料发生多晶转化，有利于烧结。
[0003]陶瓷型芯，是根据零件所需的孔或腔制造型芯模，生产型芯，制蜡模时将型芯一同压入蜡模内，直至铸件浇注成型后再去除。陶瓷型芯，用来形成空心叶片的内腔，型芯在金属浇注及叶片凝固时的工作状态十分复杂。在金属压力的作用下型芯承受弯曲力，同时在刚性固定的榫头部位会出现切应力，在浇注时型芯的工作表面会受到金属液流的冲击。尤其是在定向凝固条件下，陶瓷型芯在1500℃以上的金属液中保持更长额时间，而且由于沿着陶瓷型芯轴向存在较大的温度梯度导致很大的热应力，因此要求型芯在高温下具有足够的强度稳定性。由于叶片内腔的结构特点不可能进行机加工，其表面光洁度完全取决于型芯表面光洁度，因此要求陶瓷型芯不能与金属液体发生化学反应即必须具有较高的化学稳定性。陶瓷型芯在压蜡时要承受高压、高速蜡液的冲击；脱蜡时要承受热水和蒸汽的蒸煮；型壳焙烧时长时间的高温作用；浇注时还要承受金属液的机械冲击和热冲击。此外，陶瓷型芯还要经受制造工艺流程中带来的各种机械损伤和热损伤，最后还要通过化学法从铸件中脱除。故而进行具有良好高温性能且具有良好的腐蚀性能的陶瓷型芯的制备研究是很有必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种航空发动机用陶瓷型芯及其制备方法，该陶瓷型芯具有更优的抗弯强度，其陶瓷颗粒烧结性能显著改善；且抗高温蠕变性能有效提升，孔隙率增加，易于溶出脱除。
[0005]本专利技术为实现上述目的所采取的技术方案为：
[0006]一种陶瓷型芯，包括基体粉料和纤维增强材料；
[0007]上述基体粉料包括石英玻璃粉和锆英粉，以及有机硅树脂或改性有机硅树脂；上述改性有机硅树脂的原料组成至少包括光叶花椒宁；
[0008]上述纤维增强材料包括氧化铝纤维。本专利技术在陶瓷型芯的制备过程中加入纤维，
对陶瓷型芯湿坯体能够提供显著的增强作用，并可以避免型芯在焙烧过程中的开裂；加入的有机硅树脂是具有高度交联网状结构的聚烷基有机硅氧烷，兼具有机树脂及无机材料的双重特性，采用光叶花椒宁对聚烷基有机硅氧烷进行改性，形成更加稳定的三维网状结构，更有效地包覆陶瓷颗粒，进而形成具有一定形状和强度的陶瓷生胚；高温加热分解产物可以起到粘结骨料的作用，减少裂纹和残余应力等缺陷，显著改善陶瓷型芯的性能，提升其室温及高温抗弯强度。同时还可以使陶瓷型芯具有更多的孔隙，孔隙率高而易于溶出脱除；能够有效增强型芯的高温抗蠕变性能，保证型芯在浇注过程中不偏露。将其应用于发动机叶片的制备，获得产品质量好，尺寸精度高。本专利技术提供的陶瓷型芯承受弯曲力强，热稳定性和强度稳定性高，室温抗弯强度≥15MPa，可以满足航空发动机叶片用陶瓷型芯的要求；且在重型燃气轮机空心涡轮叶片制备方面具有广阔的应用前景。
[0009]根据具体实施方式，改性有机硅树脂原料组成还包括聚甲基氢硅氧烷；上述光叶花椒宁结构中的双键与聚甲基氢硅氧烷结构中的硅氢键形成化学键。
[0010]进一步地，上述改性有机硅树脂的制备方法，包括：
[0011]取光叶花椒宁、甲苯、karstedt催化剂混合，通入干燥氮气，50～60℃下缓慢滴加聚甲基氢硅氧烷，其中n(C＝C)：n(SiH)＝1～1.2：1，70～80℃下反应8～10h，减压蒸馏得到改性聚甲基硅氧烷；然后加入有机胺催化剂，充分搅拌后倒入模具中，置于固化装置中，20～30℃、 90～100％湿度下固化6～10h得到改性有机硅树脂。
[0012]根据具体实施方式，光叶花椒宁与甲苯的固液比为0.01～0.05g：1mL；karstedt催化剂的加入量为聚甲基氢硅氧烷和光叶花椒宁总量的4～6wt
‰
；有机胺催化剂的加入量为改性聚甲基硅氧烷总量的0.4～0.6wt％。
[0013]根据具体实施方式，氧化铝纤维的纤维长度为3.5～7mm。
[0014]根据具体实施方式，氧化铝纤维使用前进行预处理；上述预处理包括硅烷偶联剂醇溶液浸渍，清洗烘干后在分散剂的作用下分散于蒸馏水中得到纤维水溶液。
[0015]根据具体实施方式，硅烷偶联剂由改性硅烷偶联剂替代；上述改性硅烷偶联剂用改性剂包括甲氧基丁香酚
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芸香糖苷。本专利技术采用甲氧基丁香酚
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芸香糖苷对硅烷偶联剂进行改性，应用于氧化铝纤维的表面处理，能够进一步改善纤维在陶瓷型芯生胚中的分散效果，提高纤维的分散均匀性，进而有效增强陶瓷型芯的室温和高温强度，提升其显孔隙率，改善其烧结性能，降低烧结收缩率，更好地保证了陶瓷型芯的尺寸精确性；且与光叶花椒宁改性聚甲基硅氧烷制得的改性有机硅树脂复配使用，对陶瓷型芯烧结性能的改善效果更佳。
[0016]更进一步地，改性硅烷偶联剂的制备方法，具体为：
[0017]将甲氧基丁香酚
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芸香糖苷溶于甲苯中，反应升温至55～65℃，加入karstedt催化剂继续搅拌45～60min；然后缓慢滴入三异丙氧基硅烷，滴加完成后75～85℃条件下恒温反应 22～26h；趁热抽滤、冷却至室温，旋蒸、烘干后用乙醇重结晶即得改性硅烷偶联剂。
[0018]根据具体实施方式，甲氧基丁香酚
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芸香糖苷与三异丙氧基硅烷的质量比为1： 0.5～0.7；甲氧基丁香酚
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芸香糖苷与甲苯的固液比为1g：30～40mL；甲氧基丁香酚
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芸香糖苷与karstedt催化剂的固液比为3g：0.13～0.18mL。
[0019]根据具体实施方式，改性硅烷偶联剂的化学结构如式I所示：
[0020][0021]根据具体实施方式，有机硅树脂或改性有机硅树脂的加入量为石英玻璃粉和锆英粉混合物总质量8～14％。
[0022]上述陶瓷型芯的制备方法，包括：粉体配制和氧化铝纤维预处理
→
浆料配制
→
压制型芯
→
型芯矫形
→
烧结
→...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷型芯，包括基体粉料和纤维增强材料；所述基体粉料包括石英玻璃粉和锆英粉，以及有机硅树脂或改性有机硅树脂；所述改性有机硅树脂的原料组成至少包括光叶花椒宁；所述纤维增强材料包括氧化铝纤维。2.根据权利要求1所述的一种陶瓷型芯，其特征在于：所述改性有机硅树脂原料组成还包括聚甲基氢硅氧烷；所述光叶花椒宁结构中的双键与聚甲基氢硅氧烷结构中的硅氢键形成化学键。3.根据权利要求1所述的一种陶瓷型芯，其特征在于：所述氧化铝纤维的纤维长度为3.5～7mm。4.根据权利要求1或权利要求3所述的一种陶瓷型芯，其特征在于：所述氧化铝纤维使用前进行预处理；所述预处理包括硅烷偶联剂醇溶液浸渍，清洗烘干后在分散剂的作用下分散于蒸馏水中得到纤维水溶液。5.根据权利要求4所述的一种陶瓷型芯，其特征在于：所述硅烷偶联剂由改性硅烷偶联剂替代；所述改性硅烷偶联剂用改性剂包括甲氧基丁香酚
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【专利技术属性】
技术研发人员：钮计芹，崔锴，张红利，
申请(专利权)人：江苏智疆航空科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：