《熔模精密鑄造硅基陶瓷型芯設(shè)計(jì)規(guī)范》編制說明

《熔模精密鑄造硅基陶瓷型芯設(shè)計(jì)規(guī)范》編制說明

一、工作簡(jiǎn)況

1、任務(wù)來源

2023年7月6日，中國國際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)發(fā)布“關(guān)于開展《熔模精密鑄

造硅基陶瓷型芯設(shè)計(jì)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)通知”（【2023】中科促標(biāo)字第605號(hào)），項(xiàng)目

計(jì)劃編號(hào)為CI2023234。

2、制定背景

氧化硅基陶瓷型芯是用以形成熔模鑄造鑄件的復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的消耗性特種陶瓷產(chǎn)品，

其中以航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱“兩機(jī)”）渦輪葉片用陶瓷型芯的技術(shù)難度最大。渦

輪葉片采用以鎳基和鈷基為主的耐高溫合金，在定向爐鑄造過程中，不僅要求陶瓷型芯在

1500℃以上的澆鑄溫度下耐受不少于3h，更要求在高溫條件下陶瓷型芯不與鑄造合金發(fā)生

反應(yīng)，這對(duì)陶瓷型芯這種特種陶瓷的耐高溫強(qiáng)度提出很高的要求。陶瓷型芯制備技術(shù)作為

航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造關(guān)鍵技術(shù)之一，其技術(shù)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)信息嚴(yán)格受國外限制，國外如PCC、普

惠等經(jīng)過長期技術(shù)積淀，形成了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且并未公開。

近年來，伴隨我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，許多定向晶葉片、單晶葉片逐漸批量

定型，而傳統(tǒng)等軸晶葉片用陶瓷型芯無法應(yīng)用于定向晶及單晶葉片生產(chǎn)，新型高性能陶瓷

型芯也在快速發(fā)展，關(guān)于陶瓷型芯的設(shè)計(jì)、陶瓷型芯模具設(shè)計(jì)和制造、陶瓷型芯修復(fù)方法

等都有了長足發(fā)展，但目前還無對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。本單位長期從事高性能硅基陶瓷型芯研制，與

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、中國航發(fā)貴陽航發(fā)精密鑄造有限公司等陶瓷

型芯主要應(yīng)用主機(jī)廠合作，與國內(nèi)625研究所、606研究所等多家渦輪葉片設(shè)計(jì)單位合作，

與江蘇智疆航空科技有限公司等多家陶瓷型芯專業(yè)化生產(chǎn)廠合作，傾力于研發(fā)用于定向晶

葉片和單晶葉片的高性能陶瓷型芯，部分技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)WS10、WS15、WS20

等關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中。然而，目前關(guān)于高性能陶瓷型芯的生產(chǎn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不一致，各專業(yè)

生產(chǎn)廠和產(chǎn)品使用主機(jī)廠對(duì)陶瓷型芯工藝、性能等認(rèn)識(shí)差距較大，很多單位甚至沒有廠內(nèi)

企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，突破國外技術(shù)封，解決我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)高端裝備卡脖子問題，保障我國

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制，亟需建立適用于定向晶葉片、單晶葉片生產(chǎn)的高性能陶瓷型芯團(tuán)體

標(biāo)準(zhǔn)，約定行業(yè)技術(shù)和檢驗(yàn)規(guī)范，切實(shí)保障我國高性能葉片和陶瓷型芯的順利設(shè)計(jì)、研

發(fā)、投產(chǎn)。

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3、起草人及分工

本標(biāo)準(zhǔn)起草單位有：西安交通大學(xué)、中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、北

京嘉泰信德科技有限公司、中國機(jī)械總院集團(tuán)沈陽鑄造研究所有限公司、深圳市萬澤航空

科技有限責(zé)任公司、中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司、咸陽勃力模具制造有限公司、中科院沈

陽金屬研究所、中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所、西安智疆航空科技發(fā)展有限公司、江蘇智

疆航空科技發(fā)展有限公司、東莞市力泉機(jī)械有限公司、江蘇海格新材料有限公司。

本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人有：張航、郭馨、郭銓義、張鴻、朱宏斌、張紅利、郭新力、

劉孝福、魏劍輝、董斌儒、王雷、郝新、李金國、蔣康河、陳文彬、崔鍇、鈕計(jì)芹、

曹麗麗、秦勝偉、李有良、鈕宇婷。

人員標(biāo)準(zhǔn)編制：張航

標(biāo)準(zhǔn)格式修訂：郭馨、郭銓義

參與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容修訂：張鴻、朱宏斌、張紅利、郭新力、劉孝福、魏劍輝、王雷、

郝新、李金國、蔣康河、崔鍇、鈕計(jì)芹、曹麗麗、秦勝偉、李有良、鈕宇婷

4、編制過程說明

4.1起草階段

4.1.1成立標(biāo)準(zhǔn)制定工作組

該團(tuán)標(biāo)工作組于2023年6月12日成立，主要單位包括熔模精密鑄造及硅基陶瓷型芯研

究單位西安交通大學(xué)；熔模精密鑄造陶瓷型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用單位中國航發(fā)沈陽黎明航空

發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、中航工業(yè)南方航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司、深圳市萬澤航空科技有

限責(zé)任公司等單位；熔模精密鑄造陶瓷型芯研發(fā)和制造單位北京嘉泰信德科技有限公司

（投資機(jī)構(gòu)）、江蘇智疆航空科技發(fā)展有限公司等；熔模精密鑄造陶瓷型芯模具設(shè)計(jì)和制

造單位咸陽勃力模具制造有限公司等單位；熔模精密鑄造陶瓷型芯原材料供應(yīng)商如江蘇海

格新材料有限公司等單位。

4.1.2確定工作計(jì)劃

第一階段：2023年4月-6月，團(tuán)標(biāo)工作組組建階段；

第二階段：2023年7月-8月，團(tuán)標(biāo)內(nèi)容攥寫、整理、征求意見階段；

第三階段：2023年9月-10月，團(tuán)標(biāo)內(nèi)容審查、發(fā)布階段；

4.1.4形成標(biāo)準(zhǔn)草案及征求意見稿

2023年8月，工作組起草完成標(biāo)準(zhǔn)草案與編制說明，經(jīng)進(jìn)一步調(diào)整與規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)

征求意見稿。

3

4.2征求意見階段

9月底，標(biāo)準(zhǔn)由中國國際科促會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)在全國團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)信息平臺(tái)，面向社

會(huì)進(jìn)行公開征求意見。同時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)編制工作組組織向相關(guān)機(jī)構(gòu)、單位進(jìn)行定向征求意見。

4.3審查階段

4.4報(bào)批階段

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則、主要內(nèi)容及其確定依據(jù)，修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還包括修訂前后

技術(shù)內(nèi)容的對(duì)比

1、標(biāo)準(zhǔn)的編寫原則

本標(biāo)準(zhǔn)制定主要基于對(duì)硅基陶瓷型芯的設(shè)計(jì)單位、生產(chǎn)單位、使用單位等長期的設(shè)計(jì)

理論、制造理論和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納和整理，具有行業(yè)實(shí)用性特點(diǎn)。部分內(nèi)容，比如雙層

壁陶瓷型芯模具設(shè)計(jì)要求、陶瓷型芯修復(fù)設(shè)計(jì)相關(guān)要求等內(nèi)容屬于行業(yè)最前沿技術(shù)的初步

約定，符合行業(yè)先進(jìn)性特點(diǎn)。

2、提出本標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的依據(jù)主要包括文獻(xiàn)資料查閱、實(shí)驗(yàn)研究成果、理論分析、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

以下文獻(xiàn)資料，對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的編制起到了重要的參考作用：

[1]QiaoleiLI,YueGU,XuehuaYU,etal.EffectofSintering

TemperatureonSurfaceMorphologyandRoughnessof3D-printedSilicon

CeramicCores[J].JournalofInorganicMaterials,2022,37(3):325-

332.DOI:10.15541/jim20210654.

[2]ZhangH,LuZ,JiZ,etal.Basisforthealkalineremovalprocess

designofthealumina-basedceramiccore[J].NipponSeramikkusuKyokai

GakujutsuRonbunshi/JournaloftheCeramicSocietyofJapan,2017,

125(8):616-622.DOI:10.2109/jcersj2.17057.

[3]XuZ,ZhongJ,SuX,etal.Experimentalstudyonmechanical

propertiesofsilica-basedceramiccorefordirectionalsolidification

ofsinglecrystalsuperalloy[J].CeramicsInternational,2017,

44(1):394-401.DOI:10.1016/j.ceramint.2017.09.189.

[4]康海峰,李飛,趙彥杰,等.鎳基合金空心葉片澆鑄用硅基陶瓷型芯的制備及性能[J].

航空材料學(xué)報(bào),2013.DOI:CNKI:SUN:HKCB.0.2013-04-003.

4

[5]WangBQ,YuJB,RenZM,etal.FabricationandPropertiesofPorous

Alumina-basedCeramicCore[J].JournalofInorganicMaterials,2012,

27(3):239-244.DOI:10.3724/SP.J.1077.2012.00239.

[6]Yong-ChengL,Zhi-YiL,MinG,etal.Effectofsinteringtemperature

onpropertiesofsilicabasedceramiccore[J].MaterialsScienceand

EngineeringofPowderMetallurgy,2011,16(4):591-

596.DOI:10.1016/j.jtbi.2007.09.009.

[7]龍永成,劉志義,郭敏,等.燒結(jié)溫度對(duì)硅基陶瓷型芯性能的影響[J].粉末冶金材料

科學(xué)與工程,2011,16(4):6.DOI:10.3969/j.issn.1673-0224.2011.04.020.

[8]QinY,PanW.EffectOfSilicaSolOnThePropertiesOfAlumina-based

CeramicCoreComposites[J].MaterialsScienceandEngineering,2009.

[9]QinY,PanW.Effectofsilicasolonthepropertiesofalumina-based

ceramiccorecomposites[J].MaterialsScience&EngineeringA,2009,

508(1-2):71-75.DOI:10.1016/j.msea.2008.12.016.

[10]KruglovEP,KochetovaGK.Improvementofatechnological

processforceramiccoreremovaloutofinternalcavitiesofaircraft

GTEturbinebladecastings[J].RussianAeronautics,2007,50(2):227-

229.DOI:10.3103/s1068799807020201.

[11]薛明曹臘梅.單晶空心葉片用AC-2陶瓷型芯的組織和性能研究[J].材料工程,

2002,000(004):33-34,37.

[12]趙紅亮,樓瑯洪,胡壯麒.Al2O3/SiO2納米復(fù)合陶瓷型芯材料的制備與性能[J].

材料研究學(xué)報(bào),2002,16(6):5.DOI:10.3321/j.issn:1005-3093.2002.06.019.

[13]Sato,M,Kobayashi,etal.Finalreportofthekeytechnology

developmentprogramforanext-generationhigh-temperature.[J].Journal

ofEngineeringforGasTurbines&Power,1997,119(3):617-617.

[14]WangLY,HonMH.TheEffectofCristobaliteSeedonthe

CrystallizationofFusedSilicaBasedCeramicCore–AKinetic

Study[J].CeramicsInternational,1995,21(3):187-193.DOI:10.1016/0272-

8842(95)90909-3.

[15]曹臘梅.國外定向和單晶空心葉片用型芯的工藝特點(diǎn)[J].材料工程,

5

1995(5):3.DOI:JournalArticle/5aee0098c095d710d410ce50.

[16]王景周.定向凝固氣冷葉片用陶瓷型芯高溫特性研究[J].中國科學(xué)院金屬研

究所,1989.DOI:30/handle/321006/17417.

3、制定本標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)

西安交通大學(xué)長期開展包括熔模精密鑄造及硅基陶瓷型芯相關(guān)研究，在氧化硅陶瓷型

芯研制、氧化鋁陶瓷型芯研制、增材制造陶瓷型芯研制、陶瓷型芯脫芯技術(shù)研究、定向凝

固陶瓷型芯應(yīng)用等多方面開展了深入研究，發(fā)表論文30多篇，授權(quán)專利20多項(xiàng)。目前，建

立有陶瓷型芯漿料制備系統(tǒng)、陶瓷型芯燒結(jié)平臺(tái)、陶瓷型芯性能分析系統(tǒng)、陶瓷型芯組織

和成分分析設(shè)備、陶瓷型芯定向凝固澆鑄系統(tǒng)、陶瓷型芯脫芯系統(tǒng)、陶瓷型芯激光修復(fù)系

統(tǒng)等多臺(tái)套研發(fā)平臺(tái)，為硅基陶瓷型芯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供了軟硬件基礎(chǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)共同起草單位中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司、中國航發(fā)南方工業(yè)有

限公司、深圳市萬澤航空科技有限責(zé)任公司在陶瓷型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陶瓷型芯使用方面具有

長期的研究和生成經(jīng)驗(yàn)，也將是本標(biāo)準(zhǔn)未來主要適用單位。標(biāo)準(zhǔn)共同起草單位西安智疆航

空科技發(fā)展有限公司、江蘇智疆航空科技發(fā)展有限公司等長期從事硅基陶瓷型芯的生產(chǎn)，

負(fù)責(zé)了我國多型軍用發(fā)動(dòng)機(jī)葉片陶瓷型芯生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)在陶瓷型芯設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方面也積

累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)共同起草單位咸陽勃力模具制造有限公司為陶瓷型芯模具設(shè)計(jì)的行

業(yè)龍頭單位，該單位為我國多型高性能單晶葉片、雙層壁氣冷葉片、大型航空結(jié)構(gòu)件制備

提供了陶瓷型芯模具設(shè)計(jì)和制造工作，主要合作單位包括中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有

限責(zé)任公司等多家國內(nèi)葉片主要生產(chǎn)廠。標(biāo)準(zhǔn)共同起草單位江蘇海格新材料有限公司在陶

瓷型芯高純氧化硅原材料領(lǐng)域具有長期的工作經(jīng)驗(yàn)和批量化生成能力，最先進(jìn)氧化硅粉體

達(dá)到5N級(jí)高純度，是國內(nèi)陶瓷型芯原材料主要供應(yīng)商。

4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括（1）陶瓷型芯室溫和高溫力學(xué)性能檢測(cè)，主要在西安交通大學(xué)開

展；（2）陶瓷型芯與金屬反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，主要在中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公

司、中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司、深圳市萬澤航空科技有限責(zé)任公司等單位開展；（3）

陶瓷型芯外表面缺陷修補(bǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，主要在西安交通大學(xué)開展；（4）陶瓷型芯模具設(shè)計(jì)

相關(guān)實(shí)驗(yàn)，主要在咸陽勃力模具制造有限公司開展。

5、實(shí)際應(yīng)用效果

陶瓷型芯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其初始企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在各單位應(yīng)用良好，預(yù)計(jì)將向陶瓷型芯行業(yè)推廣。

三、試驗(yàn)驗(yàn)證的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效

6

益和生態(tài)效益

1、主要試驗(yàn)或驗(yàn)證的分析

1)陶瓷型芯最薄壁厚度尺寸及精度設(shè)計(jì)指標(biāo)（最小壁厚≥0.4mm，尺寸精度不高于±

0.04mm），主要基于陶瓷型芯原始粉料最大粒徑為130μm，單層壁厚至少填充3層

最大粒徑粉料，最小壁厚大于等于0.4mm，尺寸精度要求為行業(yè)通識(shí)要求。

2)陶瓷型芯最薄壁長度不大于15mm，主要考慮陶瓷型芯最薄壁長度為沿漿料流進(jìn)方

向可填充的長度或深度。

3)陶瓷型芯最小圓柱不小于0.8mm，成形精度不高于±0.06mm，主要考慮澆鑄強(qiáng)度，

陶瓷成形填充能力、燒結(jié)后強(qiáng)度等多因素。

4)高剛玉（99.9%）成形陶瓷棒最小尺寸不小于φ0.5mm，采用高純氧化硅（99.99%）

成形石英棒最小尺寸不小于0.8mm，主要考慮陶瓷型芯成形能力、預(yù)埋件強(qiáng)度、脫

芯能力等因素影響。

5)陶瓷型芯最小圓柱直徑（φ）不小于0.3mm，成形精度不高于±0.05mm，主要考慮

金屬成形填充能力等因素影響。

6)陶瓷型芯條形通孔每45mm設(shè)置加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋厚度不小于1mm，加強(qiáng)筋寬度不小于

3mm，加強(qiáng)筋成形精度不做要求，主要考慮加強(qiáng)筋強(qiáng)度和修芯方便性設(shè)計(jì)。

7)芯頭一端與型殼燒結(jié)固定（鎖死端），另一端在平行型芯長度（L1）方向預(yù)留自

由伸縮長度，自由移動(dòng)距離大于±L1×2%，主要氧化鋁型殼膨脹系數(shù)大于氧化硅

型芯膨脹系數(shù)2個(gè)數(shù)量級(jí)，氧化鋁型殼從室溫到1500℃膨脹量約為2%。

8)陶瓷型芯缺陷去除區(qū)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，寬度w≤0.5mm，底部角θ≤60°，主要因?yàn)?/p>

寬度小有利于填補(bǔ)料填入，而角度小有利于與陶瓷型芯基體結(jié)合界面積增加。

9)陶瓷型芯表面孔隙和凹陷缺陷的去除區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直徑φ≥φc，φc為裂紋覆蓋范

圍表面最大長度，底部角θ≤60°，主要因?yàn)槿コ齾^(qū)要覆蓋缺陷位置并且角度小

有利于與陶瓷型芯基體結(jié)合界面積增加。

10)單晶陶瓷型芯同爐次試樣條室溫強(qiáng)化后，室溫強(qiáng)度需大于35MPa，室溫強(qiáng)度確保壓

蠟（一般6-10MPa）強(qiáng)度下型芯不至于被壓斷。

11)單晶陶瓷型芯高溫強(qiáng)度不小于10MPa，不大于22MPa，一定高溫強(qiáng)度能抵擋常規(guī)型

殼條件下的金屬?zèng)_擊力，同時(shí)強(qiáng)度不能過大，避免再結(jié)晶。

12)定向晶陶瓷型芯高溫強(qiáng)度不小于15MPa，高溫強(qiáng)度不大于25MPa，一定高溫強(qiáng)度能

抵擋常規(guī)型殼條件下的金屬?zèng)_擊力，同時(shí)強(qiáng)度不能過大，避免再結(jié)晶。

7

13)等軸晶陶瓷型芯室溫強(qiáng)度需大于40MPa，該數(shù)值為經(jīng)驗(yàn)值，等軸晶鑄件一般結(jié)構(gòu)較

大，壓蠟過程沖擊較強(qiáng)。

14)單晶及定向晶陶瓷型芯收縮率設(shè)計(jì)主要考慮生成單位材料體系穩(wěn)定及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

15)等軸晶陶瓷型芯收縮率設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求主要考慮行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

16)陶瓷型芯模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和注料壓力兩方面。

17)陶瓷型芯模具開模方向及分型的設(shè)計(jì)主要基于陶瓷型芯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和取模要求。

18)陶瓷型芯模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的拓展。

19)模具材料選擇為行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

20)模具加工方式設(shè)計(jì)由材料和機(jī)械加工經(jīng)驗(yàn)獲得。

2、預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果

標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將推動(dòng)硅基陶瓷型芯的制造單位、模具生產(chǎn)單位、陶瓷型芯使用單位、原

材料供應(yīng)單位等大幅提高產(chǎn)品的一致性和合格率。尤其對(duì)模具、產(chǎn)品的驗(yàn)收、讓步等有了

統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其中，對(duì)陶瓷型芯制造單位，預(yù)期將提高產(chǎn)品合格率20%以上，按市場(chǎng)流通產(chǎn)

品產(chǎn)值算，可實(shí)現(xiàn)增收1億人民幣以上。對(duì)陶瓷型芯設(shè)計(jì)和使用單位，預(yù)計(jì)提高鑄件產(chǎn)品

合格率30%以上，可實(shí)現(xiàn)增收15億人民幣以上。對(duì)模具生產(chǎn)單位，降低了因標(biāo)準(zhǔn)不一致的

重復(fù)性開模和修模，預(yù)計(jì)節(jié)省工作量15%以上，節(jié)省經(jīng)濟(jì)損失超2000萬元，等等。

3、真實(shí)性驗(yàn)證

無。

四、與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的對(duì)比情況，或者與測(cè)試的國外樣品、

樣機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比情況

硅基陶瓷型