[发明专利]一种抗界面反应的复合陶瓷型壳

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗型壳界面反应复合陶瓷型壳。具体地讲是一种增加陶瓷型壳面层惰性，消除型壳与高温合金的界面物理化学反应，保证铸件优良的表面质量和尺寸精度的抗界面反应的复合陶瓷型壳。

背景技术

随着航空、航天、船舶和地面燃气轮机发电工业的发展，这些领域所使用的动力装置燃气轮机也随着不断发展和改进，以提高其推力或效率，这就对航空发动机和重型燃气轮机的核心热端部件──定向或单晶叶片等提出了更高的要求。为了保证尺寸精度，减少铸件后处理工序，节省成本，这些部件大都采用精密铸造成型，叶片铸造成型后不进行机械加工直接安装在涡轮盘上，这就对镍基高温合金叶片定向凝固无余量熔模精密铸造技术提出了严峻的挑战。

熔模精密铸造定向凝固过程中，型壳是在高温状态下浇注金属液，型壳作为一个“容器”充满了熔融金属，合金保持液态的时间长达几十分钟到几小时，在这种高温条件下，型壳面层和液态合金的接触界面极易发生化学反应。陶瓷型壳所用的粘结剂硅溶胶中的无定形SiO₂是和高温合金中合金元素发生化学反应的主要物质，例如高温合金中的C、Mg、Y、Ti、Al、Hf等元素易与型壳发生剧烈的反应，在叶片上形成粘砂缺陷。

SiO₂+C（Mg、Y、Ti、Hf）→SiO↑+（MgO、Y₂O₃、TiO₂、HfO）+CO↑（1）

这主要是因为传统的定向凝固型壳制造技术采用铝矾土粉或刚玉粉制造陶瓷浆料，按精密铸造工艺制备型壳，型壳中含有大量的SiO₂，导致铸型反应严重。用这种传统的定向凝固型壳制造技术涂制的定向凝固陶瓷型壳叶片表面质量差、粘砂严重。造成铸件表面和铸件内部化学成分偏差大，降低铸件的力学性能，增大铸件表面粗糙度，提高后处理成本。

为此，这一领域的技术人员为减少铸型反应，提高铸件表面质量进行了大量的研究工作。美国专利（专利号：US 3972367，US 4247333）介绍了一种采用化学反应法除掉型壳面层中的SiO₂的方法，型壳焙烧过程中向炉内引入还原性气体CO（1700℃±50℃保温1小时）和H₂（1700℃焙烧4小时）等，还原型壳中的氧化硅，使其成为SiO气体逸出型壳，在型壳内表面形成10～30um厚的氧化铝阻挡层。但是这种方法要求烧结设备能在还原性气氛中工作，设备造价昂贵。美国专利（专利号：US 3933190）介绍了一种采用聚氧氯化铝作粘结剂制造全刚玉型壳，用于制造定向柱状晶镍基或钴基合金，型壳由高纯氧化铝做成，并含有痕量的氧化硅，与合金接触12h不发生反应。但是型壳的湿强度和高温强度很差，导致脱蜡过程中型壳出现裂纹，破坏表面光洁度，而且粘结剂聚氧氯化铝在水蒸汽中溶解，因此不允许使用蒸汽脱蜡。美国专利（专利号：US 4196769，US 4216815）介绍了一种采用铝溶胶制作定向凝固型壳，粘结剂为胶体氧化铝的水溶液，氧化铝含量10%，并且不含氧化硅，耐火粉料为片状氧化铝，撒砂骨料也为片状氧化铝。此方法制备的全刚玉型壳，脱蜡过程中没有裂纹，在高温1500～1700℃具有较高的高温强度，铸造过程中没有铸型反应，适用于铸造合金中含有活性元素锆、铝、钽等的镍基和钴基合金。但是这种型壳湿强度只有常规型壳的50%，粘结剂遇水蒸汽膨胀，不能用蒸汽脱蜡，浆料寿命短，必须严格控制浆料的PH值，工艺控制难度大，经常出现胶凝。

发明内容

本发明的目的，是提供一种抗界面反应的复合陶瓷型壳。该复合陶瓷型壳惰性强，化学稳定性好，不与高温合金熔体发生化学反应，消除了型壳内表面与高温合金熔体的表面冶金反应，可以保证铸件优良的表面质量和尺寸精度的抗界面反应的复合陶瓷型壳。

本发明的另一目的，是提供一种制备抗界面反应的复合陶瓷型壳的制作方法。

采用的技术方案是：

一种抗界面反应的复合陶瓷型壳，其特征在于：

该型壳包括由氧化钇粉为耐火粉料，氧化钇砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的面层和由电熔莫来石粉为耐火粉料，电熔刚玉砂为耐火骨料，硅溶胶为粘结剂，采用多次涂覆方法制成的加固层，加固层固定在面层的上端面上，且为一整体结构；型壳总厚度为5-13mm，其中面层厚度为0.15-1.4 mm；

上述加固层的外端面上涂设有电熔莫来石层，为封浆层；