CN101168484A - 一种重型燃机ⅱ级导向器叶片用型壳的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种R0110重型燃机II级导向器叶片用型壳的制造方法，通过在蜡模上逐层反复进行挂浆、撒砂、干燥步骤获得。其特征在于，仅在第二层采用硅酸乙酯粘接剂并且氨干，在涂料过程中有两次强化，前8层撒砂材料为刚玉砂，后两层为煤矸石砂，并且前5层为细砂和中砂，在型壳的焙烧阶段，保温时间要大于3h。通过本发明工艺制备的等轴晶叶片用型壳，可以获得足够的高温强度和高的高温挠度及良好的退让性，弥补了传统型壳的不足，获得了尺寸合格的II级导叶片。

Description

一种重型燃机Ⅱ级导向器叶片用型壳的制造方法

技术领域：

本发明涉及R0110重型燃机II级导向器叶片的制备技术，具体地，提供了铸造用R0110重型燃机II级导向器叶片的硅基陶瓷型芯及其制备，铸造用R0110重型燃机II级导向器叶片型壳的制造方法，R0110重型燃机II级导向器叶片的浇注方法。

背景技术：

R0110重型燃机II级导向器叶片为大型复杂内腔结构等轴晶无余量空心熔模精铸叶片，外形尺寸大(尺寸为以往导向叶片的2～3倍，体积为其6～9倍)，其上、下缘板面积大，并且内腔为交错网格状复杂结构(如图1、2)，尺寸精度要求高。该叶片的结构设计尚属首创，在叶片的铸造制备方面，无论是从内腔的陶瓷型芯、型壳的制备、以及浇注的工艺条件上来说，也都提出了更高的要求，

首先无论是从尺寸体积上，还是复杂程度上，R0110重型燃机II级导向器叶片形成内腔的陶瓷型芯均远远超过现有的国产发动机导向叶片用陶瓷型芯(见图1)。由于陶瓷型芯的大尺寸及结构复杂的事实，决定了不能用传统的陶瓷型芯制造工艺生产该型芯，同时还要考虑到叶片浇注后的脱除问题。如果采用传统的硅基陶瓷型芯制造工艺，首先面临的是型芯的烧成问题，该问题主要是型芯的裂纹及变形。如果型芯焙烧过程中产生裂纹，有可能不能获得完整的型芯(型芯在焙烧后从焙烧罐中取出时就已断裂或根本取不出)，也有可能在型芯上产生微小的裂纹，在制蜡模或浇注的过程中因强度不足而发生断裂，导致陶瓷型芯无法使用。采用传统方法即使型芯在焙烧后不断裂，也有可能产生变形，当变形量较大时，陶瓷型芯将无法使用，在制蜡模的过程中，在陶瓷型芯在蜡模模具中就已经断裂，压出蜡模后型芯断裂无法使用。裂纹及变形产生的主要原因是陶瓷型芯在焙烧过程中的收缩率过大造成的。传统硅基型芯在焙烧过程中要产生大约0.4～1.2％的烧成收缩，这样在焙烧过程中会产生较大的内应力，造成型芯的断裂，如果通过在焙烧前填料不振实的办法减小裂纹的话，那么会造成变形量较大的问题，这样就会在裂纹和变形间产生一对矛盾，顾此失彼，或者两者同时存在。由于R0110重型燃机II级导向器叶片用陶瓷芯的特殊性，所以传统工艺根本无法满足该型芯的生产。其次传统工艺生产的陶瓷型芯还面临着叶片浇注完后陶瓷型芯从叶片中脱除的问题。由于该叶片的结构特点，内腔气冷通道错综复杂，并且陶瓷型芯的脱除口狭小，这就决定了陶瓷型芯从叶片中的脱除是极其困难的，如果叶片在腐蚀液中浸泡过长时间，会对叶片的金属材料造成腐蚀，严重的会影响叶片的正常使用而必须报废。传统的工艺制造硅基陶瓷型芯的空隙率较低，一般为23～30％，因此不利于腐蚀液向陶瓷型芯内部的渗入，所以影响脱芯速度。

另外，R0110重型燃机II级导向器叶片外形尺寸大，尺寸精度要求高，其上、下缘板面积大，叶片重量重，并且缘板上有5mm的封严沟槽等(见图2)。以上结构特点使得R0110重型燃机II级导向器叶片在铸造上具有很大难度，对其熔模铸造型壳有特殊的要求，要求型壳有足够的高温强度和高的高温挠度及良好的退让性，要求型壳的自重变形量小，传统的型壳制造方法已不能满足要求。

最后，对于以往的透平机导向器叶片来讲，根据其结构特点，传统的浇冒系统及组合方案为侧注式，虽然有排气性好、金属液对铸型的冲击较小等优点，但对于R0110重型燃机II级导向器叶片并不适用。这是因为R0110重型燃机II级导向器叶片的内腔为错综复杂的网格式结构，并且壁厚较薄，陶瓷型芯在内部对金属的补缩起阻挡作用，造成补缩不畅，由此导致侧注式方案使得叶片叶身厚大部位处产生大的缩孔缺陷，并且容易造成冷隔和欠铸缺陷的出现。

发明内容：

本发明的目的之一在于提供一种硅基陶瓷型芯及其制备技术，通过该方法制备的硅基陶瓷型芯没有裂纹及变形，并且易于脱除。

本发明的又一目的在于提供一种R0110重型燃机II级导向器叶片用型壳的制造方法，通过该方法制备的R0110重型燃机II级导向器叶片用型壳具备足够的高温强度和高的高温挠度及良好的退让性，并且自重变形量小，可以满足铸造R0110重型燃机II级导向器叶片的使用要求。

本发明的第三个目的在于提供一种R0110重型燃机II级导向器叶片的浇铸方法，该方法具有良好充型性能的，并且易于形成顺序凝固而获得组织致密的铸件。

本发明具体提供了一种硅基陶瓷型芯，其特征在于：所述型芯由下述重量百分比组成的原料制备而成：

多孔石英玻璃粉    30～50％；

莫来石矿化剂      10～15％；

增塑剂            18～22％；

石英玻璃粉        余量；

其中

多孔石英玻璃粉的孔隙率为10～20％，粒度在150目～180目之间；

莫来石矿化剂的粒度小于320目；

石英玻璃粉的粒度在180目～240目之间；

增塑剂是10～15％的蜂蜡、3～5％的聚乙烯、其余为石蜡的混合物。

本发明还提供了上述硅基陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：将原料充分混合，在压芯机上用模具压制成型后，进行焙烧，焙烧温度为200±10℃，4～8h+400±10℃，4～8h+600±10℃，1h+900±10℃，1h+1200±10℃，6～10h；再进行常规的高、低温强化。

为了保证陶瓷型芯在浇注后可从R0110重型燃机II级导向器叶片中快速脱除，采用了如下脱除工艺：

采用重量为35％～40％的NaOH的水溶液，在高温高压脱芯釜内，在0.4～0.5MPa的压力下，在180～200℃的温度下，经机械搅拌和超声波振动，经24～48小时即可将陶瓷型芯从叶片中脱除干净。

本发明硅基陶瓷型芯及其制备方法，通过对传统硅基陶瓷型芯制造及脱除工艺加以改进，解决了R0110重型燃机II级导向器叶片用陶瓷型芯的制造问题，生产出了满足要求的陶瓷型芯，并且实现了陶瓷型芯的快速脱除，为该叶片的精密铸造奠定了基础。为了解决陶瓷型芯在焙烧过程中产生裂纹和变形的矛盾，本发明在传统的石英玻璃粉中加入了一定量的多孔形石英玻璃粉以取代部分传统石英玻璃粉的使用。

通过本发明制造的硅基陶瓷型芯，由于加入了一定量多孔形石英玻璃粉，及采用粉料粒度的粗细搭配，及适当延长低温排蜡期的时间和终烧温度时间，使得烧成收缩控制在0～0.2％之间，这样解决了裂纹和变形的矛盾问题。由于多孔形石英玻璃粉的加入，可以有效吸收焙烧过程中的焙烧应力，同时有一定比例的较粗粉料形成框架，这样可以减小烧成收缩，避免了裂纹的产生，同时还有效控制了型芯的变形，制成符合要求的陶瓷型芯。该工艺制备出的硅基陶瓷型芯的孔隙率可以达到35～45％。

传统的脱芯工艺无机械搅拌和超声波振动。由于本发明硅基陶瓷型芯的孔隙率较传统硅基陶瓷型芯的孔隙率要高，所以有利于腐蚀液的快速渗入，提高了脱芯速度，同时本发明脱芯工艺增加了机械搅拌和超声波振动，以及高温高压均可加快脱芯速度，可以保证R0110重型燃机II级导向器叶片陶瓷型芯快速脱除。

总之，通过对传统工艺的改进及新材料新方法的应用，发明了本硅基陶瓷型芯制造工艺及快速脱除工艺，制造出了符合要求的陶瓷型芯，为R0110重型燃机II级导向器叶片的制造奠定了基础。

另外，本发明提供了一种R0110重型燃机II级导向器叶片用型壳的制造方法，通过在蜡模上逐层反复进行挂浆、撒砂、干燥步骤获得，其特征在于工艺参数为：

涂料完毕的型壳脱蜡后进行焙烧，焙烧温度为950℃～980℃，保温时间大于3h出炉。

本发明制壳工艺与传统制壳工艺的差异及优点在于：

1.本发明工艺仅在第二层采用硅酸乙酯粘接剂，而传统型壳要么全部采用硅酸乙酯粘接剂，要么采用交替法(一层硅酸乙酯，一层硅溶胶)，本发明工艺仅在第二层采用硅酸乙酯粘接剂并且氨干的目的是解决传统型壳在涂第二、三层是因粘接剂渗透到第一层，及第一层和蜡模因润湿不好，而造成的型壳鼓起问题。其余层为硅溶胶粘接剂可以提高型壳的高温强度。

2.本发明工艺在涂料过程中有两次强化，并且为硅酸乙酯强化，而传统的型壳为硅溶胶强化。采用两次强化可以提高型壳的湿强度和高温强度，减少型壳在脱蜡和浇注过程中开裂的可能性。采用硅酸乙酯强化，可以使强化剂更容易渗透到型壳内部，提高强化效果。

3.本发明工艺前8层撒砂材料为刚玉砂，后两层为煤矸石砂，目的是提高型壳的高温挠度及强度，以控制型壳在高温下的变形，保证获得尺寸合格的叶片。后两层用煤矸石砂是使强度不至提高的太高而使铸件产生热裂现象，以获得较好的退让性。

4.本发明工艺前5层为细砂和中砂，目的是使叶片的沟槽处能够充分的涂满，防止因该处型壳不致密而在浇注的过程中发生跑火的现象。而传统型壳从第3、4层开始直接涂挂粗砂，导致型壳在沟槽处搭桥，降低强度。

5.在型壳的焙烧阶段，传统的型壳一般保温时间大于30min即可，因为II导叶片结构特殊及尺寸大的特点使得型壳内部易因脱蜡时的残余蜡料不充分氧化燃烧形成积碳现象的发生。而本发明工艺要求保温时间要大于3h，目的是使型壳内部的积碳充分氧化挥发，防止因在型壳内部表面及型壳内型芯上积碳吸潮膨胀而使型壳及内部的型芯产生裂纹，降低强度。

通过本发明工艺制备的等轴晶叶片用型壳，可以获得足够的高温强度和高的高温挠度及良好的退让性，弥补了传统型壳的不足，获得了尺寸合格的II级导叶片。

在提供了上述铸造用R0110重型燃机II级导向器叶片型芯和型壳的基础上，本发明又提供了一种R0110重型燃机II级导向器叶片的浇铸方法，采用顶注式浇铸方案，其特征在于：

——叶片型壳外部的保温毡厚度从下往上依次增厚，由10±2mm到40±5mm，同时在叶片型壳的底部涂一层铁丸，厚度20～30mm；

——顶注式浇冒系统的上部采用了一个巨大的冒口，冒口体积500～600cm³，高度110～120mm；

——浇注温度控制在1450～1480℃，浇注时间6～8秒。

本发明改变了传统导向叶片采用侧注式的浇冒系统设计理念，采用具有良好充型性能的、易于形成顺序凝固而获得致密铸件的顶注式方案。在采用顶注方案的同时，对传统的型壳包保温毡的方法加以改进，改变以往的包保温毡方式，使保温毡厚度从下往上依次增厚，这样人为形成顺序凝固，避免了因R0110重型燃机II级导向器叶片的结构特点造成的补缩不良形成大面积缩孔的的缺点。同时在叶片型壳的底部涂一层一定厚度的铁丸，形成强制冷却，加强从下往上顺序凝固的效果。本发明顶注式浇冒系统的上部采用了一个巨大的冒口，有巨大的金属容量，使其最后凝固，并且增大压力，增加补缩的效果。通过以上措施，使叶片从下至上依次冷却，增强了补缩效果。如果图3。为了使其产生良好的补缩效果，浇注温度控制在1450～1480℃，温度过低容易造成冷隔和欠铸缺陷，温度过高会造成大面积的缩孔和疏松。浇注时间需要严格控制，低于6秒时，容易使陶瓷型芯折断，高于8秒时容易造成欠铸。通过以上对传统导向叶片浇冒系统设计的改变和对传统工艺的改进，可以生产出组织致密的定向凝固铸件。

附图说明：

图1为R0110重型燃机II级导向器叶片形成其内腔的硅基陶瓷型芯；

图2为R0110重型燃机II级导向器叶片蜡模的外形；

图3为铸造装箱示意。

具体实施方式：

实施例1

多孔形石英玻璃粉孔隙率为10～20％，并且不要太细，150目～180目之间，用量为30％。同时加入粒度为小于320目的莫来石矿化剂，用量为10％。增塑剂(10％蜂蜡、3％的聚乙烯、其余为石蜡的混合物)的使用量为18％。使用传统的石英玻璃粉的粒度为180目～240目之间。

将上述原料充分混合，在压芯机上按照图1所示形状压制成型后，进行焙烧，焙烧前湿态的陶瓷型芯要在填料中充分振实。焙烧温度为200±10℃，8h+400±10℃，8h+600±10℃，1h+900±10℃，1h+1200±10℃，10h。

出炉后经硅酸乙酯高温强化，酚醛醇清漆低温强化，所制备出的硅基陶瓷型芯无裂纹，无变形。

实施例2

多孔形石英玻璃粉孔隙率为10～20％，并且不要太细，150目～180目之间，用量为35％。同时加入粒度为小于320目的莫来石矿化剂，用量为15％。增塑剂(12％的蜂蜡、3％的聚乙烯、其余为石蜡的混合物)的使用量为粉料比重的20％。使用传统的石英玻璃粉的粒度为180目～240目之间。

将上述原料充分混合，在压芯机上按照图1所示形状压制成型后，进行焙烧，焙烧前湿态的陶瓷型芯要在填料中充分振实。焙烧温度为200±10℃，6h+400±10℃，6h+600±10℃，1h+900±10℃，1h+1200±10℃，8h。

出炉后经硅酸乙酯高温强化，酚醛醇清漆低温强化，所制备出的硅基陶瓷型芯无裂纹，无变形。

实施例3

多孔形石英玻璃粉孔隙率为10～20％，并且不要太细，150目～180目之间，用量为40％。同时加入粒度为小于320目的莫来石矿化剂，用量为10％。增塑剂(15％的蜂蜡、4％的聚乙烯、其余为石蜡的混合物)的使用量为粉料比重的22％。使用传统的石英玻璃粉的粒度为180目～240目之间。

将上述原料充分混合，在压芯机上按照图1所示形状压制成型后，进行焙烧，焙烧前湿态的陶瓷型芯要在填料中充分振实。焙烧温度为200±10℃，8h+400±10℃，8h+600±10℃，1h+900±10℃，1h+1200±10℃，10h。

出炉后经硅酸乙酯高温强化，酚醛醇清漆低温强化，所制备出的硅基陶瓷型芯无裂纹，无变形。

实施例4

多孔形石英玻璃粉孔隙率为10～20％，并且不要太细，150目～180目之间，用量为50％。同时加入粒度为小于320目的莫来石矿化剂，用量为15％。增塑剂(13％的蜂蜡、5％的聚乙烯、其余为石蜡的混合物)的使用量为粉料比重的22％。使用传统的石英玻璃粉的粒度为180目～240目之间。

将上述原料充分混合，在压芯机上按照图1所示形状压制成型后，进行焙烧，焙烧前湿态的陶瓷型芯要在填料中充分振实。焙烧温度为200±10℃，8h+400±10℃，8h+600±10℃，1h+900±10℃，1h+1200±10℃，10h。

出炉后经硅酸乙酯高温强化，酚醛醇清漆低温强化，所制备出的硅基陶瓷型芯无裂纹，无变形。

实施例5～8

在实施例1～4硅基陶瓷型芯基础上，按图2所示的外形制备R0110重型燃机II级导向器叶片蜡模，与冒口和浇口杯组合；在组合后的蜡模上制壳；其涂料工艺参数如表。

涂料完毕的型壳脱蜡后进行焙烧，焙烧温度为950℃～980℃，保温时间大于3h出炉。

实施例9～12

将实施例5～8制备型壳按照图3所示装箱。

材料为K4104高温合金，精炼温度为1550℃～1560℃，模壳预热温度为950℃～980℃，真空下浇注，真空度＜6.67Pa，采用顶注式浇铸方案，叶片型壳外部的保温毡厚度从下往上依次增厚，由10±2mm到40±5mm，同时在叶片型壳的底部涂一层铁丸，厚度20mm；顶注式浇冒系统的上部采用了一个巨大的冒口，冒口体积500cm³，高度110mm；浇注温度控制在1450～1480℃，浇注时间6秒。叶片质量均达到设计要求。

实施例13～16

将实施例5～8制备型壳按照图3所示装箱。

材料为K4104高温合金，精炼温度为1550℃～1560℃，模壳预热温度为950℃～980℃，真空下浇注，真空度＜6.67Pa，采用顶注式浇铸方案，叶片型壳外部的保温毡厚度从下往上依次增厚，由10±2mm到40±5mm，同时在叶片型壳的底部涂一层铁丸，厚度30mm；顶注式浇冒系统的上部采用了一个巨大的冒口，冒口体积600cm³，高度120mm；浇注温度控制在1450～1480℃，浇注时间8秒。叶片质量均达到设计要求。

Claims (1)

1.一种R0110重型燃机II级导向器叶片用型壳的制造方法，通过在蜡模上逐层反复进行挂浆、撒砂、干燥步骤获得，其特征在于工艺参数为：

层次                       挂浆材料                  撒砂材料          干燥硬化条件

         粘结剂            粉料        粘度

1        硅溶胶            铝矾土粉    (28～32)秒    80^#-100^#刚玉砂    大于4小时自干

2        硅酸乙酯水解液    铝矾土粉    (20～25)秒    80^#-100^#刚玉砂    15分钟氨干

3～5     硅溶胶            铝矾土粉    (16～20)秒    46^#-60刚玉砂      大于4小时风干

强化     硅酸乙酯水解液                                                大于2小时风干

6～8     硅溶胶            铝矾土粉    (14～18)秒    16^#-24^#刚玉砂     大于4小时风干

9～      硅溶胶            铝矾土粉    (14～18)秒    16^#-24^#煤矸石     大于4小时风干

10                                                   砂

强化     硅酸乙酯水解液                                                大于2小时风干

挂桨     硅酸乙酯水解液    铝矾土粉                                    大于4小时风干

涂料完毕的型壳脱蜡后进行焙烧，焙烧温度为950℃～980℃，保温时间大于3h出炉。

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