[发明专利]航空发动机叶片用硅基陶瓷型芯的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷型芯，更特别地说，是指一种适用于航空发动机叶片用的高纯二氧化硅陶瓷型芯的制备方法。

背景技术

众所周知，推重比是衡量航空发动机的性能的一个重要指标，燃气涡轮是航空发动机的心脏。要提高航空发动机的推重比，首先要提高涡轮的燃气温度。自20世纪50年代以来，各先进国家生产的航空发动机的推重比，平均每年提高16％，涡轮前温度则以每年20℃～25℃的速度升高。提高涡轮前温度主要有2种途径：提高材料的承温能力和空心叶片的冷却技术。目前先进的发动机涡轮前温度要达到1757℃，受金属熔点的限制，在合金材料上如果想提高叶片的承温能力已经接近了极限，因此需要2种途径的结合，在设计和制造中采用越来越复杂的叶片冷却系统，即生产内腔形状异常复杂的空心叶片来不断改善叶片的气冷结构，提高冷却效率。叶片冷却技术的应用是将早期的实心叶片改变成空心叶片，使冷却空气通过叶片的复杂内腔达到冷却叶片的目的。高效气冷叶片的制造中，由于高效气冷叶片的内腔形状十分复杂，锻压、电化学加工等传统方法已经显得无能为力，只有采用熔模精密铸造技术才能解决这一难题，但用熔模铸造的普通成型方法(金属陶芯、可溶陶芯)无法形成复杂的细薄内腔，因为模组浸涂时耐火材料不能进入其中，撒沙和干燥也不能实现。所以，必须采用陶瓷型芯，在压制熔模时把它装配在压型中，制成带有陶瓷型芯的熔模。脱蜡后，陶瓷型芯固定安装在型壳内，于浇注时形成叶片的内腔。因此，这项技术关键就在于陶瓷型芯的研制。陶瓷型芯虽不是航空发动机的零件，但涡轮叶片必须借助于它才能形成所需空心形状。因此，它对涡轮叶片的质量和发动机的性能均有重大影响，它的性能和质量将直接影响叶片的合格率和成本。

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。

陶瓷型芯的性能在很大程度上取决于其基体材料的性能。为满足陶瓷型芯性能的要求，其基体材料通常选用纯度较高的难熔氧化物或化合物，并需要经过高温稳定化处理，使陶瓷型芯在加热过程中不致发生较大的晶型和变化。目前可用作陶瓷基体材料的有石英玻璃、氧化铝、氧化镁、锆石英等，其中最常用的是石英玻璃。另外，基体材料中还需附加锆英粉、莫来石、尖晶石或稀土氧化物来保证并提高陶芯的承温能力。

陶瓷型芯中除基体材料外，还需加入能促进烧结的矿化剂及促进成型的增塑剂等。

(1)矿化剂要求在型芯焙烧过程中，应与基体形成固溶体或共晶体，而不形成低熔点玻璃相。国内外常用的矿化剂主要有氧化锆、氧化镁、莫来石、工业氧化铝和氧化钙等。

(2)增塑剂一般为有机热塑性材料，它们在以后的焙烧过程中熔化至填料中，并挥发掉。因此增塑剂不是陶瓷型芯的组成成分，只是在压注时起成型作用。

增塑剂的加入量(质量分数)一般为粉料的10％～20％。增塑剂加入量对型芯性能有明显影响，增塑剂的过多加入虽然使成型容易，但同时也会使型芯的烧成收缩率和气孔率增加，抗弯强度和体积密度降低，因此加入量应严格控制。