[发明专利]一种无机纤维复合硅基陶瓷型芯及其制备方法

说明书

本发明属于陶瓷制备技术领域，涉及一种基于3D打印技术的无机纤维复合硅基陶瓷型芯，其型芯料浆由石英玻璃粉、矿化剂、陶瓷纤维和光固化树脂组成。本发明的陶瓷型芯制备步骤是：将85~95wt%的石英玻璃粉、3~10wt%的硅酸锆粉、2~5wt%的氧化铝纤维搅拌干混后，加占比30~50wt%光固化树脂球磨共混，获得陶瓷型芯料浆；3D打印出陶瓷型芯素坯，再浸泡去除多余的未固化树脂；陶瓷型芯素坯放入紫外固化箱二次固化；陶瓷型芯素坯置于陶瓷匣钵的轻质氧化镁粉中，在型芯烧结炉中烧结；型芯吹粉清理并检测后修型；最后型芯强化，获得无机纤维复合硅基陶瓷型芯。本发明提供的硅基陶瓷型芯及制备方法，可制备结构复杂、具有优良抗高温蠕变和脱芯性能的硅基陶瓷型芯。

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，尤其是涉及一种无机纤维复合硅基陶瓷型芯及其制备方法。

背景技术

随着航空燃气涡轮发动机涡轮前燃气温度的不断提高，通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片散热能力已成为先进发动机制造的关键，因而对成形叶片内腔结构的陶瓷型芯提出了更高的要求。陶瓷型芯是制造高性能涡轮叶片的关键部件，其性能和质量直接影响涡轮叶片的性能。

传统成型陶瓷型芯的方法主要为热压注成型，其过程是将基体材料和矿化剂在均匀混合的同时加入增塑剂，然后经过热压注成型后得到陶瓷素坯，将素坯烧结获得陶瓷型芯。热压注成型有利于铸造结构较为复杂、尺寸精细的陶瓷型芯，但浆料在浇注时需要加热并提供压力且排蜡时间长，工艺较复杂。

以石英玻璃为主要原料的硅基陶瓷型芯在高温合金柱晶与单晶叶片制造中应用最为广泛，其原因在于其脱芯性能优良。然而由于硅基型芯耐火温度较低，因此一般在1560℃以下应用，同时高温强度较低，抗高温蠕变性能较差，其应用受到了一定的限制。因此如果能够提高其高温强度和抗高温蠕变性能，则有望应用于大型高温合金空心叶片，如燃气轮机定向和单晶叶片的精密铸造成形中。专利201410224963.X公开了一种纤维增强型陶瓷型芯材料及热压注成形工艺，表明碳化硅纤维的添加能够避免型芯在焙烧过程中的开裂，然而该型芯材料前期制备过程比较复杂，碳化硅纤维的成本高昂，限制了其实际的应用。

3D打印区别于传统的减材(如切削加工)和等材(如锻造)制造方法，制作工艺中无需模具，可以实现传统方法无法或很难达到的复杂结构，并大幅减少加工工序，缩短加工周期，其技术特点很好的契合了陶瓷型芯的制作需求。目前，3D打印技术中的3DP工艺在砂型铸造领域已成功用于砂芯的制造，并在铝合金复杂铸件成形中获得了较多的应用。但是，采用3DP工艺打印的陶瓷制品表面粗糙度较高，一般难以满足高表面精度定向叶片精密铸造的要求。专利201710284229.6公开了一种短纤维混合的氧化钙基陶瓷粉末的制作方法，并采用3DP工艺实现了陶瓷型芯与型壳一体化成形，然而专利中未公开陶瓷型芯表面粗糙度数据。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种基于3D打印技术的无机纤维复合硅基陶瓷型芯及其制备方法，能制备结构复杂、具有优良抗高温蠕变和脱芯性能的硅基陶瓷型芯。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种无机纤维复合硅基陶瓷型芯，由型芯料浆进行光固化3D打印，经烧结、硅酸乙酯水解液强化后得到硅基陶瓷型芯，其中型芯料浆由石英玻璃粉、矿化剂、陶瓷纤维和光固化树脂组成。

优选的，所述石英玻璃粉中的SiO₂含量＞99wt%，粒度分布1-30μm。

优选的，所述矿化剂为硅酸锆微粉，其中Fe₂O₃的杂质含量＜0.1wt%，粒度分布1-30μm。

优选的，所述陶瓷纤维优选氧化铝纤维，其α-氧化铝含量＞99wt%，直径为5-10μm，长度为50-300μm。