[发明专利]一种提高空心涡轮叶片陶瓷铸型高温力学性能的方法

说明书

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。