阅读说明：本技术 碳化硅增强硅基陶瓷型芯及其制备方法 (Silicon carbide reinforced silicon-based ceramic core and preparation method thereof ) 是由 梁康硕 刘枫 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明的碳化硅增强硅基陶瓷型芯及其制备方法,陶瓷型芯原料包括碳化硅、碳化硅晶须、氧化硅、金属钇粉末和粘结剂；碳化硅晶须加入量为碳化硅粉末的10-18％；氧化硅加入量为碳化硅粉末30-50％；金属钇粉末加入量为碳化硅粉末的0.1-0.8％,粘结剂加入量为上述材料质量总和的10％-25％。制备时先进行干粉混合,然后再将混合均匀的粉料逐步加入融化的粘结剂中,压制成型,并在氧气氛围的梭式窑中烧结,终烧温度为1350-1650℃成型后制得补强的陶瓷型芯,该陶瓷型芯通过碳化硅复合,抗折断层具有大量球形样貌,产品强度明显提高,具有优异的物理性能,可以提高产品的耐高温、抗冲击等性能,并且提高了陶瓷型芯在1450℃在以上的工作时间。(The invention relates to a silicon carbide reinforced silicon-based ceramic core and a preparation method thereof, wherein the ceramic core comprises silicon carbide, silicon carbide whiskers, silicon oxide, yttrium metal powder and a binder; the addition amount of the silicon carbide whiskers is 10-18% of the silicon carbide powder; the adding amount of the silicon oxide is 30-50% of the silicon carbide powder; the addition amount of the metal yttrium powder is 0.1-0.8% of the silicon carbide powder, and the addition amount of the binder is 10-25% of the total mass of the materials. The preparation method comprises the steps of mixing dry powder, gradually adding the uniformly mixed powder into a molten binder, carrying out compression molding, sintering in a shuttle kiln in an oxygen atmosphere, and carrying out molding at a final sintering temperature of 1350-.)

碳化硅增强硅基陶瓷型芯及其制备方法

技术领域：

本发明属于精密铸造-陶瓷型芯技术领域，具体涉及一种碳化硅增强硅基陶瓷型芯及其制备方法。

背景技术：

随着冷却技术的不断发展，叶片内腔的形状日渐复杂，须采用陶瓷型芯在熔模铸造中形成。因此陶瓷型芯的技术发展直接影响着空心叶片的水平，它一直是空心叶片发展铸造中的瓶颈，决定了铸造叶片的尺寸精度、合格率以及生产成本。因此，对陶瓷型芯材料和制造技术进行不断改进十分重要。

硅基陶瓷型芯具有热膨胀系数小、优良的热稳定性、机械强度高、化学稳定性好和脱芯方便等优点，尤其是相对于其他类型陶瓷型芯，硅基陶瓷型芯脱除周期短，效率高，使硅基陶瓷型芯广泛应用在空心涡轮叶片制造领域，国际上对该系列陶瓷型芯作了大量的研究工作。现有的陶瓷型芯在浇注定向及单晶空心叶片时，由于高温性能较差而时常发生变形甚至断裂，严重影响了叶片的成品率。因此，开发具有优异综合性能特别是良好的抗高温蠕变性能的硅基陶瓷型芯对定向、单晶空心叶片的生产具有重大意义。

发明内容

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本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种碳化硅增强硅基陶瓷型芯及其制备方法，该碳化硅增强陶硅基瓷型芯具有通过碳化硅氧化复合及碳化硅晶须为核心骨架的连接支撑，补强的陶瓷型芯具有优异的物理性能，可以提高产品的耐高温、抗冲击、耐高温寿命等性能。同时本技术制备的为纯硅基陶瓷型芯，其脱除效果具有明显优势，尤其适用于较薄、厚大复杂尺寸陶瓷型芯。能够大幅避免因厚大复杂尺寸导致的脱芯周期长，较薄复杂尺寸脱芯强度差导致断芯、高温寿命短等问题、进一步的避免了金属浇注过程中断芯导致的产品浪费问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳化硅增强硅基陶瓷型芯，包括的原料为：碳化硅粉末、碳化硅晶须、金属钇粉末、氧化硅和粘结剂；其中：

所述的碳化硅粉末为纯度为99％以上，D50粒径分布及质量百分含量为：325μm-550μm占4％-15％，120μm-180μm占30％-35％，38μm-70μm占30％-55％；18μm-23μm占25％-40％；

所述的碳化硅晶须加入质量为碳化硅粉末的10-18％；

所述的氧化硅粉末加入质量为碳化硅粉末的30-50％；

所述的金属钇粉末加入质量为碳化硅粉末的0.1-0.8％；

所述的粘结剂加入质量为上述碳化硅粉末、碳化硅晶须、金属钇粉末和氧化硅材料质量总和的10％-25％。

所述的碳化硅晶须平均粒径为100nm，比表面积为30m²/g，晶须直径0.05-1μm，长度为10-100μm。

所述的氧化硅粉末粒度为62μm-90μm。

所述的粘结剂为液体石蜡和石蜡按质量比为(0.2-1)：(1.5-2)的混合物。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)按碳化硅增强硅基陶瓷型芯原料比例进行备料；

(2)将原料搅拌均匀混合后，压制成坯后，在烧结炉内进行烧结后，冷却制得碳化硅增强硅基陶瓷型芯，其中，所述的烧结采用两段烧结，其中，一段烧结温度为1000-1250℃，烧结时间为1-2h，二段烧结温度为1350-1650℃，烧结时间为0.5-1.5h。

所述的步骤(1)中，原料搅拌均匀混合后，依模具压制成长方体结构的陶瓷型芯坯体。

所述的步骤(2)中，一段烧结升温速率为3-5℃/min。

所述的步骤(2)中，一段烧结前具体采用梯度升温工艺升温至一段烧结温度，具体过程为：

(1)一段升温：0℃-(250-300℃)，升温速率3-5℃/min，保温时间2.8-3.5h；

(2)二段升温：(250-300℃)-(550-650℃)升温速率1-3℃/min，保温时间2-3h；

(3)三段升温：(550-650℃)-(1000-1250℃)升温速率3-5℃/min，烧结时间1-2h，完成一段烧结，该阶段氧化硅开始熔融；

所述的步骤(2)中，二段烧结升温速率为1-5℃/min。

所述的步骤(2)中，二段烧结的具体过程为：(1000-1250℃)-(1350-1650℃)，升温速率1-5℃/min，烧结时间0.5-1.5h，完成二段烧结，该阶段碳化硅逐步氧化，并熔融。

所述的步骤(2)中，二段烧结温度优选为1450-1600℃。

所述的步骤(2)中，烧结炉为氧气氛围的梭式窑，烧结在氧气气氛下进行，烧结过程中，梭式窑内烟道废气中氧气体积百分含量为2.5-5％，所述的梭式窑内助燃空气流量为15-38m³/min，燃气流量为1.1-2.1m³/min。

所述的步骤(2)中，一段烧结过程中，氧化硅逐步完成熔融；

所述的步骤(2)中，二段烧结过程中，碳化硅逐步氧化，并熔融。

所述的步骤(2)中，烧结后冷却方式为随炉冷却。

所述的步骤(2)中，制备的碳化硅增强硅基陶瓷型芯为定向、单晶空心叶片铸造用陶瓷型芯。

所述的步骤(2)中，经检测，制备的碳化硅增强硅基陶瓷型芯1520℃高温抗折强度为31.1-42.6MPa，浇铸合格率为85-89％，脱芯周期7-9h，收缩率长为0.18-0.32％、宽为0.08-0.2％、厚为0.1-0.47％，孔隙率为25-28％。

所述的步骤(2)中，经检测，制备的碳化硅增强硅基陶瓷型芯1520℃高温抗折强度为37.9-42.6MPa。

本发明的有益效果：

(1)综合性能优异：本发明的陶瓷型芯加入了碳化硅及碳化硅晶须，在高温氧气氛围条件下，碳化硅、氧气与氧化硅三者良好熔合，氧化硅粉末以碳化硅晶须为轴线进行熔融，碳化硅在存在金属钇条件下的氧气氛围下转化为氧化硅，与氧化硅粉层层熔融包覆、聚集，形成球体，且在氧化条件下，金属钇粉转化为氧化钇，再逐步起到矿化剂作用，使陶瓷型芯具有优良的机械性能、耐热性及抗高温氧化性，具有较强的增强、增韧效果，大幅度提高制品的抗弯曲强度和抗冲击强度及金属浇铸时的耐高温使用寿命。

(2)误差率减小：同时本发明的陶瓷型芯长宽厚(XYZ)变形量小，减少了空心叶片的内腔尺寸误差，提高了空心叶片的产品的精度，减少了空腔叶片生产时的人力物力消耗。

(3)脱芯效率提高：同时由于其主要成分为高纯氧化硅(包含碳化硅氧化反应生成)，在脱芯液中可以快速与具有一定温度的碱液反应溶失，提高了脱芯效率，降低了空心叶片制造的周期及生产过程中污染。

附图说明：

图1为本发明实施例1制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折强度测试后断层截面×80倍SEM图；

图2为本发明实施例1制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折强度测试后断层截面×1200倍SEM图；.

图3为本发明实施例1制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折强度测试后断层截面×3000倍SEM图；

图4为本发明对比例制备的未改良氧化硅陶瓷型芯的高温抗折强度测试后断层截面×80倍SEM图；

图5为本发明对比例制备的未改良氧化硅陶瓷型芯的高温抗折强度测试后断层截面×1000倍SEM图；

图6为本发明对比例制备的未改良氧化硅陶瓷型芯的高温抗折强度测试后断层截面×2000倍SEM图；

图7为本发明对比例制备的未改良氧化硅陶瓷型芯的高温抗折力值-时间实时曲线；

图8为本发明实施例1制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折力值-时间实时曲线；

图9为本发明实施例2制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折力值-时间实时曲线；

图10为本发明实施例3制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折力值-时间实时曲线；

图11为本发明实施例4制备的碳化硅增强陶瓷型芯的高温抗折力值-时间实时曲线。

具体实施方式

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下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

以下实施例与对比例中：

采用的梭式窑型号为ASB-S5.45；制备的陶瓷型芯坯体为相同尺寸的长方体结构；脱芯实验时，采用相同尺寸的长方体试棒进行测试。

对比例

未改良的氧化硅陶瓷型芯，其原料为占总重量35wt.％粒度为220目的SiO₂粉末，18wt.％的粒度为300目的SiO₂粉末，21wt.％的粒度为350目的SiO₂粉末，26wt.％的粒度为300目的ZrO₂粉末；石蜡、蜂蜡和聚乙烯混合成的粘结剂混匀，占上述粉体总量的15wt.％。

制备步骤如下：

(1)将上述各干粉原料混匀后，逐步加入粘结剂，加热到110℃形成料浆，搅拌2～5h，然后将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用。

(2)将陶瓷型芯模具加热至35℃，控制合模压力为9Mpa。注浆压力为4Mpa，注浆时间为20秒，保压时间为15秒，依模具制成长方体结构的陶瓷型芯坯体。

(3)将陶瓷型芯坯料放进窑具中加满Al₂O₃填料，保持填料平实，将窑具放入高温炉中焙烧，先以3.5℃/min的升温速率升至250℃，保温3h，然后以1℃/min的升温速率升至500℃保温3h，再以4℃/min的升温速率升至850℃保温4h，最后以3℃/min的升温速率升至1250℃保温6h。

(4)将焙烧完成后的陶瓷型芯从窑具中取出，清理表面浮沙，即为未改良氧化硅陶瓷型芯，1520℃高温抗折强度测试后断层截面×80倍SEM图如图4所示，×1000倍SEM图如图5所示，×2000倍SEM图如图6所示，获得的高温抗折力值-时间实时曲线如图7所示，脱芯周期32h，1520℃高温抗折强度为17.9MPa，收缩率长1.5％、宽2.5％、厚2.5％，孔隙率25％。

以下实施例1-4中，各干粉原料按比例混合后，逐步加入粘结剂，混匀后，均加热至110℃形成料浆，搅拌2～5h后，将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用；并将陶瓷型芯模具加热至35℃，控制合模压力为9Mpa。注浆压力为4Mpa，注浆时间为20秒，保压时间为15秒，依模具制成长方体结构的陶瓷型芯坯体后，放入窑具中加满Al₂O₃填料，保持填料平实，将窑具放入梭式窑，按制度要求进行烧结。

实施例1

一种碳化硅增强陶瓷型芯，包括的原料为：碳化硅、碳化硅晶须、金属粉末、氧化硅和粘结剂；其中：

所述的碳化硅粉末为纯度为99％以上，D50粒径分为325μm质量占比为8％，180μm质量占比为32％，40μm质量占比为30％；18μm质量占比为30％；

所述的碳化硅晶须平均粒径100nm，比表面积30m²/g，加入质量为碳化硅粉末的10％；

所述的氧化硅粉末粒度为70μm，加入质量为碳化硅粉末32％；

所述的金属钇粉末加入质量为碳化硅粉末的0.7％；

所述的粘结剂为液体石蜡和石蜡1:1.5混合，加入质量为上述材料质量总和的14％；

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)按碳化硅增强硅基陶瓷型芯原料比例进行备料；

(2)将原料搅拌均匀混合后，压制成陶瓷型芯坯体后，在氧气氛围的梭式窑内进行烧结后，随炉冷却制得碳化硅增强硅基陶瓷型芯，其中，所述的烧结过程为：

0-300℃，升温速率4℃/min，保温时间3h；

300℃-550℃，升温速率2℃/min，保温时间2h；

550-℃-1150℃，升温速率5℃/min，烧结时间1h；

1150℃-1450℃，升温速率1℃/min，烧结时间1.5h。

所述的梭式窑内，助燃空气流量15-30m³/min，燃气流量1.1-2.1m³/min，烟道废气中氧气含量2.5-5％。

所述的碳化硅增强陶瓷型芯1520℃高温抗折强度测试后断层截面×80倍SEM图如图1所示，×1200倍SEM图如图2所示，×3000倍SEM图如图3所示；1520℃下高温抗折力值-时间实时曲线如图8所示。1520℃高温抗折强度为42.6MPa，浇铸合格率89％，结构复杂的陶瓷型芯的脱芯周期7h，收缩率长0.18％、宽0.08％、厚0.47％，孔隙率25％。

实施例2

一种碳化硅增强陶瓷型芯，包括的原料为：碳化硅、碳化硅晶须、金属粉末、氧化硅和粘结剂；

所述的碳化硅粉末为纯度为99％以上，D50粒径分为425μm质量占比为4％，180μm质量占比为30％，61μm质量占比为40％；23μm质量占比为26％；

所述的碳化硅晶须平均粒径100nm，比表面积30m²/g，加入质量为碳化硅粉末的18％

所述的氧化硅粉末粒度为80μm，加入质量为碳化硅粉末50％；

所述的金属钇粉末加入质量为碳化硅粉末的0.8％；

所述的粘结剂加入质量为上述材料质量总和的25％。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)按碳化硅增强硅基陶瓷型芯原料比例进行备料；

(2)将原料搅拌均匀混合后，压制成陶瓷型芯坯体后，在氧气氛围的梭式窑内进行烧结后，随炉冷却制得碳化硅增强硅基陶瓷型芯，其中，所述的烧结过程为：

0-250℃，升温速率3.5℃/min，保温时间2.8h；

250℃-500℃，升温速率1℃/min，保温时间3h；

500℃-1250℃，升温速率5℃/min，烧结时间1h；

1250℃-1600℃，升温速率3℃/min，烧结时间0.5h。

所述的梭式窑内，助燃空气流量16-38m³/min，燃气流量1.2-2m³/min，烟道废气中氧气含量2.5-4.5％。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯为定向、单晶空心叶片铸造用陶瓷型芯。

所述的碳化硅增强陶瓷型芯1520℃下高温抗折力值-时间实时曲线如图9所示，1520℃高温抗折强度41MPa，浇铸合格率85％，厚大尺寸陶瓷型芯的脱芯周期8h，收缩率长为0.32％、宽为0.2％、厚为0.1％，孔隙率28％。

实施例3

一种碳化硅增强陶瓷型芯，包括的原料为：碳化硅、碳化硅晶须、金属粉末、氧化硅和粘结剂；

所述的碳化硅粉末为纯度为99％以上，D50粒径分为550μm质量占比为5％，150μm质量占比为35％，70μm质量占比为35％；18μm质量占比为25％；

所述的碳化硅晶须平均粒径100nm，比表面积30m²/g，加入质量为碳化硅粉末的12％；

所述的氧化硅粉末粒度为75μm，加入质量为碳化硅粉末35％；

所述的金属钇粉末加入质量为碳化硅粉末的0.6％；

所述的粘结剂加入质量为上述材料质量总和的16％。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)按碳化硅增强硅基陶瓷型芯原料比例进行备料；

(2)将原料搅拌均匀混合后，压制成陶瓷型芯坯体后，在氧气氛围的梭式窑内进行烧结后，随炉冷却制得碳化硅增强硅基陶瓷型芯，其中，所述的烧结过程为：

0-300℃，升温速率3.5℃/min，保温时间3h；

300℃-650℃，升温速率3℃/min，保温时间2h；

650℃-1120℃，升温速率4℃/min，烧结时间1.5h；

1120℃-1550℃，升温速率2℃/min，烧结时间1.2h。

所述的梭式窑内，助燃空气流量18-30m³/min，燃气流量1.2-2.1m³/min，烟道废气中氧气含量3-5％。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯为定向、单晶空心叶片铸造用陶瓷型芯。

所述的碳化硅增强陶瓷型芯1520℃下高温抗折力值-时间实时曲线如图10所示，1520℃高温抗折强度37.9MPa，浇铸合格率86％，结构复杂的陶瓷型芯的脱芯周期9h，收缩率长为0.2％、宽为0.1％、厚为0.4％，孔隙率为25％。

实施例4

一种碳化硅增强陶瓷型芯，包括的原料为：碳化硅、碳化硅晶须、金属粉末、氧化硅和粘结剂；

所述的碳化硅粉末为纯度为99％以上，D50粒径分为350μm质量占比为10％，150μm质量占比为30％，61μm质量占比为30％；23μm质量占比为30％；

所述的碳化硅晶须平均粒径100nm，比表面积30m²/g，加入质量为碳化硅粉末的15％；

所述的氧化硅粉末粒度为75μm，加入质量为碳化硅粉末40％；

所述的金属钇粉末加入质量为碳化硅粉末的0.2％；

所述的粘结剂加入质量为上述材料质量总和的20％。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)按碳化硅增强硅基陶瓷型芯原料比例进行备料；

(2)将原料搅拌均匀混合后，压制成陶瓷型芯坯体后，在氧气氛围的梭式窑内进行烧结后，随炉冷却制得碳化硅增强硅基陶瓷型芯，其中，所述的烧结过程为：

0-250℃，升温速率3℃/min，保温时间3h；

250℃-650℃升温速率2℃/min，保温时间2h；

650℃-1100℃升温速率3℃/min，烧结时间2h；

1100℃-1650℃，升温速率4℃/min，烧结时间0.8h。

所述的梭式窑内，助燃空气流量15-27m³/min，燃气流量1.1-1.9m³/min，烟道废气中氧气含量3-4.5％。

所述的碳化硅增强硅基陶瓷型芯为定向、单晶空心叶片铸造用陶瓷型芯。

所述的碳化硅增强陶瓷型芯1520℃下高温抗折力值-时间实时曲线如图11所示，1520℃高温抗折强度31.1MPa，浇铸合格率为86％，结构复杂的陶瓷型芯的脱芯周期7.5h，收缩率长为0.24％、宽为0.16％、厚为0.35％，孔隙率为27％。