CN102039375B - 一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法 - Google Patents

一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法 Download PDF

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Abstract

一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，包括利用计算机设计一体化的陶瓷型芯与模壳；快速成型粉料的制备；采用快速成型技术制备一体化的陶瓷型芯与模壳素坯；陶瓷型芯与模壳素坯焙烧；叶片浇注及清理；叶片型芯脱除，本发明的目的是开发出一种可以快速制备具有空心结构高温合金铸件的制备工艺，优点是可以利用快速成型技术制备具有空心结构的高温合金铸件，减少制作周期，降低成本。

Description

一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法
技术领域
本发明属于快速成型领域，特别指一种高温合金空心叶片快速铸造工艺。
背景技术
高温合金做为叶片材料广泛应用航空发动机和燃气轮机领域。随着现代科技的发展，叶片的结构日益复杂化，叶片的承温能力也越来越高，但材料自身承受高温的能力已不能满足发动机及燃机的需求，而采用气体冷却技术的空心叶片可以使高温合金具备更高的承高温能力。因此，空心叶片在航空航天、舰船、能源、化工等工业领域有着特别广泛的应用。目前，空心叶片铸件的内部冷却结构越来越复杂，其冷却通道的设计难度也越来越高，叶片制造的难度也越来越高。高温合金空心叶片通常采用精密铸造工艺制备，通常包含多个技术环节，如陶瓷型芯模具的设计与制备，陶瓷型芯的成型及烧结，蜡模模具的设计与制备，带陶瓷型芯的蜡模成型，蜡模的涂料制壳、脱蜡及焙烧，叶片浇注及清理等。空心叶片铸造完之后还要进行气体冷却效果实验，要不断调整叶片内部冷却结构或更改设计以达到最好的冷却效果，最后才能制备成品空心叶片，这个周期相当长，制备成本也相当高，如果快速低成本制备空心叶片是目前生产中急需解决的问题。
快速成型（Rapid Prototyping）技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称。其本质是用积分法制造三维实体，将计算机中储存的任意三维型体信息传递给成型机，通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代化科技成果。目前，快速自动成型技术在精密铸造工艺中已经有了一定的应用，但基本还是停留在制备蜡基模型阶段，仍然需要涂料制壳、脱蜡、焙烧、浇注、清理等工序，时间仍然较长，只是节省了蜡模模具的制造时间和成本而已，对制备具有空心结构的高温合金铸件来说仍然存在很大的困难。
发明内容
本发明的目的是开发出一种可以快速制备具有空心结构高温合金铸件的制备工艺。
本发明的技术方案为：
一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）利用计算机设计一体化的陶瓷型芯与模壳；
（2）快速成型粉料的制备：快速成型粉料中的陶瓷粉料与粘接剂的质量比为90-70：10-30，采用球磨方法对陶瓷粉料与粘接剂进行混料，磨球采用陶瓷球，磨球与快速成型粉料的质量比为3-5：1，球磨时间为10-30小时；固化剂占粘接剂质量的8-15%；
（3）采用快速成型技术制备一体化的陶瓷型芯与模壳素坯，快速成型采用常规的选择性激光烧结粉料方法，快速成型粉料成型后采用水清理技术进行清理陶瓷型芯与模壳素坯表面的粉料，然后在空气中进行干燥；将进行水清理并干燥后的陶瓷型芯与模壳素坯在硅溶胶中浸泡0.5-2小时，硅溶胶的胶粒半径为8-30nm；
（4）陶瓷型芯与模壳素坯焙烧，具体工艺为：将陶瓷型芯与模壳素坯装入刚玉舟中，周围添满刚玉粉，刚玉粉的粒度为80-120目，缓慢从室温升至500℃，保温2小时，再快速升温至800℃，保温2小时，然后快速升温到陶瓷型芯烧结温度，保温烧结4-5小时，随炉冷却至室温；
（5）叶片浇注及清理，陶瓷型芯与模壳素坯预热温度为950℃-1050℃，浇注温度为1480℃-1580℃；
（6）叶片型芯脱除：模壳素坯采用机械振动法清除，陶瓷型芯采用高压下碱液腐蚀清除，碱液的浓度为20-40%，压力为3-5个大气压，时间为10-60小时，最后采用酸中和叶片表面及内部的碱并清洗，得到叶片成品。
所述陶瓷粉料采用三氧化二铝基陶瓷粉料、二氧化硅基陶瓷粉料、或锆英石基陶瓷粉料中的一种。
所述陶瓷粉料的配比采用粗细合理搭配的原则，具体为：粗粉的粒径为30-80mm，细粉的粒径为10-30nm，粗粉与细粉的质量比例60-80：40-20。
所述粘接剂采用脲醛树脂、酚醛树脂或糠醇树脂中的一种。
所述固化剂为乌洛托品、氯化铵、乌洛托品水溶液或氯化铵水溶液中的一种。
所述碱液中的碱为KOH或NaOH中的一种。
本发明的优点是可以利用快速成型技术制备具有空心结构的高温合金铸件，减少制作周期，降低成本。
具体实施方式：
本发明的原理为：采用快速成型技术和陶瓷型芯与模壳一体化技术，直接制备带型芯的模壳，然后经焙烧、浇注、清理、脱芯等工序制得空心结构叶片。
下面结合具体实施例对本发明进行具体说明。
实施例1
首先制备快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用三氧化二铝基陶瓷粉料，陶瓷粉料的配比采用粗细合理搭配的原则，具体：粗粉的粒径为70mm，细粉的粒径为30nm，粗粉与细粉的比例为60：40；快速成型粉料的粘结剂采用酚醛树脂粉；采用球磨方法混合陶瓷粉料与酚醛树脂粉；陶瓷粉料与酚醛树脂的质量比例为85：15，固化剂乌洛托品加入量为酚醛树脂质量的8%；磨球采用陶瓷球，陶瓷球与快速成型粉料的质量比为5：1；球磨时间为10小时制得成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技术进行清理陶瓷型芯与模壳素坯表面的粉料，然后在空气中进行干燥；将水清理后的陶瓷型芯与模壳素坯在硅溶胶中浸泡0.5小时，硅溶胶的胶粒半径为8nm；然后对陶瓷型芯与模壳素坯进行焙烧，焙烧工艺为：将陶瓷型芯与模壳素坯装入刚玉舟中，周围添满刚玉粉，刚玉粉的粒度为120目，缓慢从室温升至500℃，保温2小时，再快速升温至800℃，保温2小时，然后快速升温到陶瓷型芯烧结温度1500℃，保温烧结5小时，随炉冷却至室温，一体化陶瓷型芯与模壳素坯预热温度为950℃，浇注温度为1480℃；模壳素坯采用机械振动法清除，陶瓷型芯采用高压下碱液腐蚀清除，碱液的浓度为20%，碱为NaOH，压力为3个大气压，时间为20小时，最后采用酸中和叶片表面及内部的碱并清洗,得到叶片成品。
实施例2
首先制备快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用三氧化二铝基陶瓷粉料，陶瓷粉料的配比采用粗细合理搭配的原则，具体：粗粉的粒径为70mm，细粉的粒径为20nm，粗粉与细粉的比例为80：20；快速成型粉料的粘结剂采用酚醛树脂粉；采用球磨方法混合陶瓷粉料与酚醛树脂粉；陶瓷粉料与酚醛树脂的质量比为80：20，固化剂选用乌洛托品，加入量为酚醛树脂质量的12%；磨球采用陶瓷球，陶瓷球与快速成型粉料的质量比为5：1；球磨时间为10小时制得成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技术进行清理陶瓷型芯与模壳素坯表面的粉料，然后在空气中进行干燥；将水清理后的陶瓷型芯与模壳素坯在硅溶胶中浸泡0.5小时，硅溶胶的胶粒半径为10nm；然后对陶瓷型芯与模壳素坯进行焙烧，焙烧工艺为：将陶瓷型芯与模壳素坯装入刚玉舟中，周围添满刚玉粉，刚玉粉的粒度为100目，缓慢从室温升至500℃，保温1小时，再快速升温至800℃，保温2小时，然后快速升温到陶瓷型芯烧结温度1500℃，保温烧结4小时，随炉冷却至室温，一体化陶瓷型芯与模壳素坯预热温度为950℃，浇注温度为1480℃；模壳素坯采用机械振动法清除，陶瓷型芯采用高压下碱液腐蚀清除，碱液的浓度为30%，碱为NaOH，压力为3个大气压,，时间为10小时，最后采用酸中和叶片表面及内部的碱并清洗，得到叶片成品。
实施例3
首先制备快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用二氧化硅陶瓷粉料，陶瓷粉料的配比采用粗细合理搭配的原则，具体：粗粉的粒径为80mm，细粉的粒径为20nm，粗粉与细粉的比例为80：20；快速成型粉料的粘结剂采用呋喃树脂粉；采用球磨方法混合陶瓷粉料与呋喃树脂粉；陶瓷粉料与呋喃树脂的质量比例90：10，固化剂氯化铵水溶液加入量为呋喃树脂质量的12%，氯化铵与水的质量比为3：1；磨球采用陶瓷球，陶瓷球与快速成型粉料质量比为4：1；球磨时间为10小时制得快速成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技术进行清理模型表面的粉料，然后在空气中进行干燥；将水清理后的陶瓷型芯与模壳素坯在硅溶胶中浸泡1小时，硅溶胶的胶粒半径为10nm；然后对陶瓷型芯与模壳素坯进行焙烧，焙烧工艺为：将陶瓷型芯与模壳素坯装入刚玉舟中，周围添满刚玉粉，刚玉粉的粒度为120目，缓慢从室温升至500℃，保温2小时，再快速升温至800℃，保温2小时，然后快速升温到陶瓷型芯烧结温度1480℃，保温烧结4小时，随炉冷却至室温，一体化陶瓷型芯与模壳素坯预热温度为1050℃，浇注温度为1480℃；模壳素坯采用机械振动法清除，陶瓷型芯采用高压下碱液腐蚀清除，碱液的浓度为26%，碱为KOH，压力为3个大气压，时间为10小时，最后采用酸中和叶片表面及内部的碱并清洗,得到叶片成品。
实施例4
首先制备快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用二氧化硅基陶瓷粉料，陶瓷粉料的配比采用粗细合理搭配的原则，具体：粗粉的粒径为80mm，细粉的粒径为10nm，粗粉与细粉的比例为85：15；快速成型粉料的粘结剂采用呋喃树脂粉；采用球磨方法混合陶瓷粉料与呋喃能树脂粉；陶瓷粉料与呋喃树脂的质量比例为80：20，固化剂氯化铵加入量为酚醛树脂质量的8%；磨球采用陶瓷球，陶瓷球与快速成型粉料质量比为5：1；球磨时间为10小时制得快速成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技术进行清理模型表面的粉料，然后在空气中进行干燥；将水清理后的陶瓷型芯与模壳素坯在硅溶胶中浸泡0.5小时，硅溶胶的胶粒半径为8nm；然后对陶瓷型芯与模壳素坯进行焙烧，焙烧工艺为：将陶瓷型芯与模壳素坯装入刚玉舟中，周围添满刚玉粉，刚玉粉的粒度为80目，缓慢从室温升至500℃，保温2小时，再快速升温至800℃，保温1小时，然后快速升温到陶瓷型芯烧结温度1490℃，保温烧结4小时，随炉冷却至室温，一体化陶瓷型芯与模壳素坯预热温度为950℃，浇注温度为1500℃；模壳素坯采用机械振动法清除，陶瓷型芯采用高压下碱液腐蚀清除，碱液的浓度为30%，碱为KOH，压力为3个大气压，时间为10小时，最后采用酸中和叶片表面及内部的碱并清洗,得到叶片成品。

Claims (6)

1.一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（1）利用计算机设计一体化的陶瓷型芯与模壳；
（2）快速成型粉料的制备：快速成型粉料中的陶瓷粉料与粘接剂的质量比为90-70：10-30，采用球磨方法对陶瓷粉料与粘接剂进行混料，磨球采用陶瓷球，磨球与快速成型粉料的质量比为3-5：1，球磨时间为10-30小时；固化剂占粘接剂质量的8-15%；
（3）采用快速成型技术制备一体化的陶瓷型芯与模壳素坯，快速成型采用常规的选择性激光烧结粉料方法，快速成型粉料成型后采用水清理技术进行清理陶瓷型芯与模壳素坯表面的粉料，然后在空气中进行干燥；将进行水清理并干燥后的陶瓷型芯与模壳素坯在硅溶胶中浸泡0.5-2小时，硅溶胶的胶粒半径为8-30nm；
（4）陶瓷型芯与模壳素坯焙烧，具体工艺为：将陶瓷型芯与模壳素坯装入刚玉舟中，周围添满刚玉粉，刚玉粉的粒度为80-120目，缓慢从室温升至500℃，保温2小时，再快速升温至800℃，保温2小时，然后快速升温到陶瓷型芯烧结温度，保温烧结4-5小时，随炉冷却至室温；
（5）叶片浇注及清理，陶瓷型芯与模壳素坯预热温度为950℃-1050℃，浇注温度为1480℃-1580℃；
（6）叶片型芯脱除：模壳素坯采用机械振动法清除，陶瓷型芯采用高压下碱液腐蚀清除，碱液的浓度为20-40%，压力为3-5个大气压，时间为10-60小时，最后采用酸中和叶片表面及内部的碱并清洗，得到叶片成品。
2.根据权利要求1所述一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述陶瓷粉料采用三氧化二铝基陶瓷粉料、二氧化硅基陶瓷粉料、或锆英石基陶瓷粉料中的一种。
3.根据权利要求1所述一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述陶瓷粉料的配比采用粗细合理搭配的原则，具体为：粗粉的粒径为30-80mm，细粉的粒径为10-30nm，粗粉与细粉的质量比例60-80：40-20。
4.根据权利要求1所述一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述粘接剂采用脲醛树脂、酚醛树脂或糠醇树脂中的一种。
5.根据权利要求1所述一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述固化剂为乌洛托品、氯化铵、乌洛托品水溶液或氯化铵水溶液中的一种。
6.根据权利要求1所述一种快速制备高温合金空心叶片铸件的方法，其特征在于：所述碱液中的碱为KOH或NaOH中的一种。
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