CN103990761B - 一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，首先制备与空心涡轮叶片内部的多个主冷却通道相对应的多个氧化铝陶瓷型芯；然后制备相邻两个氧化铝陶瓷型芯之间的冲击孔芯，其中冲击孔芯中心为钼丝，表面为陶瓷层；将冲击孔芯和多个氧化铝陶瓷型芯进行组合装配，并置于空心涡轮叶片的蜡模模具中，然后向蜡模模具的型腔中注蜡、待蜡凝固后分离蜡模模具，在蜡型表面喷涂陶瓷浆料制备陶瓷型壳，经化蜡、焙烧后，制得含有型芯和型壳结构的陶瓷铸型；向陶瓷铸型中浇注高温金属液，待金属液凝固后，清除陶瓷铸型，得到包括多个主冷却通道和冲击孔结构的空心涡轮叶片。本发明主要用于解决熔模铸造过程中冲击孔芯难以成型或强度不足、成芯率低的问题。

Description

一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法

技术领域

本发明属于熔模铸造技术领域，具体涉及一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其适用于现有熔模铸造成型率低的冲击孔结构及其它复杂、细小及异形结构。

背景技术

熔模铸造是一种适用于制造含有复杂几何结构特征的金属零件的一种方法，因此在空心涡轮叶片制造领域得到了普遍应用。熔模铸造中多采用注射成型法制备陶瓷型芯，但是在制备型芯中的复杂的细小结构特征时，模具型腔的制造非常困难，另外在成型过程中陶瓷粉末的良好流动性是以加入大量的有机粘接剂为基础的，在后续的烧结脱脂过程中容易造成型芯特别是细小结构特征的开裂。此外，在熔模铸造中注蜡、脱蜡和浇注熔融金属过程中，陶瓷铸型中型芯的细小结构特征在熔融石蜡和金属液冲击力、热应力和其它作用力下，容易因强度不足而断裂，最终影响叶片制造的成功率。

针对陶瓷型芯细小结构特征难以成型或强度低、容易断裂的问题，当前的一种解决方法是采用耐高温金属钨、钽、钼、铌等丝材或板材代替陶瓷型芯中细小结构特征，以增强细小结构的机械强度，并通过化学气象沉积、物理气象沉积、等离子喷涂、电泳或者溶胶-凝胶法在金属表面制备陶瓷涂层，以阻碍浇注叶片时金属材料向叶片高温熔融液体中溶解。上述方法为熔模铸造过程中陶瓷模具型芯细小结构特征难以成型和强度不足、容易断裂的问题提供了一种解决途径，但需要使用电火花切割、激光切割、磨削、冲压、折弯、焊接等一系列复杂的机加工和材料成型工艺，以获得尺寸精度高、能精确匹配冷却通道主型芯轮廓特征的细小复杂金属芯。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，该方法将光固化快速成型技术、凝胶注模技术应用到传统熔模铸造中，制造中心为难熔金属钼丝、表面为陶瓷层的冲击孔芯，并将冲击孔芯与空心涡轮叶片主冷却通道的型芯进行组合，解决冲击孔芯强度不足、容易断裂的问题。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，包括以下步骤：

1)首先通过注射成型法制备与空心涡轮叶片内部多个主冷却通道相对应的多个氧化铝陶瓷型芯，其中，至少有两个相邻的氧化铝陶瓷型芯上均包含了装配冲击孔芯的凹槽结构；

2)制备冲击孔芯的树脂模具，并将钼丝置于树脂模具中，接下来将有机物溶于去离子水中制成预混液，随后在预混液中加入陶瓷粉末制成陶瓷浆料，灌注前向陶瓷浆料中加入引发剂和催化剂，并混合均匀；

3)将加入引发剂和催化剂的陶瓷浆料灌注入冲击孔芯的树脂模具中，填充树脂模具壳体内壁与钼丝之间的孔道区域，在陶瓷浆料原位固化后制得中心为钼丝表面为陶瓷的冲击孔芯坯体，再依次经干燥、加热脱脂、烧结后制得由钼丝和陶瓷复合的冲击孔芯；

4)将由钼丝和陶瓷复合的冲击孔芯与步骤1)制备的多个氧化铝陶瓷型芯进行组合装配，并置于空心涡轮叶片的蜡模模具中，然后向蜡模模具的型腔中注蜡、待型腔中的蜡凝固后分离蜡模模具，在蜡型表面涂挂陶瓷浆料制备陶瓷型壳，经化蜡、焙烧工艺后，制得含有型芯和型壳结构的陶瓷铸型；

5)向步骤4)制得的陶瓷铸型中浇注熔融高温金属液，待金属液冷却凝固成型后，清除陶瓷铸型、多个氧化铝陶瓷型芯以及冲击孔芯，得到包括多个主冷却通道和冲击孔结构的空心涡轮叶片。

本发明进一步改进在于，空心涡轮叶片内部至少有两个相邻的主冷却通道之间设有冲击孔。

本发明进一步改进在于，陶瓷粉末为氧化铝陶瓷粉末。

本发明进一步改进在于，冲击孔的直径为1mm～1.5mm，钼丝的直径为0.2mm。

本发明进一步改进在于，树脂模具采用激光快速固化光敏树脂制备，且该树脂模具能够通过加热脱脂去除。

本发明进一步改进在于，陶瓷浆料中陶瓷粉末占陶瓷浆料的质量比为80％～88％，余量为去离子水。

本发明进一步改进在于，有机物为丙烯酰胺单体和N,N′—亚甲基双丙烯酰胺按的质量比为(15-25):1配成的混合物，有机物在去离子水中质量浓度为10％～20％；引发剂为过硫酸胺水溶液，催化剂为四甲基乙二胺水溶液，二者的加入量分别为预混液质量的0.5～1％和0.1％～1％。

本发明进一步改进在于，加热脱脂采取先慢后快的加热方式，加热设备为箱式电阻加热炉，室温入炉以每小时30℃升温至300℃，保温0.5～1小时；接着以每小时100℃～150℃升温至600℃，保温0.5～1小时；再以每小时200℃～300℃升温至900℃～1000℃，保温3～5小时；随炉冷却至室温。

本发明进一步改进在于，在脱芯时，将空心涡轮叶片置于质量分数60％的KOH溶液中除去氧化铝陶瓷型芯及钼丝表层氧化铝陶瓷，再将钼丝从空心涡轮叶片中空的主冷却通道中机械抽出。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

本发明通过在树脂模具中放置耐高温难熔金属钼丝和浇注固化陶瓷浆料，制造中心为难熔金属丝、表面为陶瓷层、含有多个冲击孔芯的一体化结构，并与主冷却通道型芯进行组装，能有效解决传统熔模铸造过程中冲击孔芯强度不足、容易断裂的问题，同时多个冲击孔芯一体成型，也降低了后续装配误差。

本发明仅仅使用了简单的圆柱形难熔金属钼丝，并使用凝胶注模法成型固化钼丝表面陶瓷层，工艺过程简单易控，同时仅仅依靠树脂模具即可保证冲击孔芯的外形轮廓和尺寸，省去了现有金属芯成型过程中所需的复杂机加工和材料成型工艺，简化了工艺过程，同时可快速适应冲击孔芯结构设计的变化。

本发明主要解决了熔模铸造过程中冲击孔芯强度不足、成芯率低的问题，但也适用于型芯的其它复杂、异形和细小结构特征。

附图说明

图1是空心涡轮叶片的结构示意图；

图2是图1的A-A向视图；

图3是图1的局部剖视图；

图4为图1中三个主冷却通道相对应的氧化铝陶瓷型芯的结构示意图，其中，图4a为第一主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯的结构示意图，图4b为第二主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯的结构示意图，图4c为第三主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯的结构示意图；

图5是冲击孔芯的结构示意图；

图6是图5的分解图；

图7为树脂模具的结构示意图；

图8是图7的分解图；

图9为放置钼丝后的树脂模具的结构示意图；

图10为空心涡轮叶片的蜡模模具的结构示意图；

图11为注蜡后空心涡轮叶片的蜡模模具的结构示意图；

图12为含有型芯和型壳结构的陶瓷铸型的结构示意图。

图中：1为第一主冷却通道，2为第二主冷却通道，3为第三主冷却通道，4为冲击孔，5为第一主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯，501为第一凹槽结构，6为第二主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯，601为第二凹槽结构，7为第三主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯，8为钼丝表面陶瓷层，9为第一钼丝，10为第二钼丝，11为树脂模具，12为树脂模具分体a，13为树脂模具分体b，14为放置钼丝的弧形槽，15为空心涡轮叶片的蜡模模具，16为蜡模模具的型腔，17为冲击孔芯，18为蜡型，19为陶瓷型壳。

具体实施方式

以下对照图1至图12和发明人给出的实施例对本发明作进一步详细的描述，以完整准确的理解本发明的特点。

以下是发明人给出的一个具体的实施例。

本发明一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，包括以下步骤：

1)制造主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯和冲击孔芯

参见图1，该空心涡轮叶片的内部包括第一主冷却通道1、第二主冷却通道2、第三主冷却通道3和冲击孔4，其中，冲击孔4位于第一主冷却通道1和第二主冷却通道2之间。

参见图2至图4，首先，通过注射成型法制备与空心涡轮叶片内部第一主冷却通道1、第二主冷却通道2及第三主冷却通道3相对应的第一主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯5、第二主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯6及第三主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯7，第一主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯5和第二主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯6上分别包含了装配冲击孔芯17的第一凹槽结构501和第二凹槽结构601。

参见图5至图9，然后，采用激光快速固化光敏树脂制备冲击孔芯17的树脂模具，该树脂模具包含了树脂模具分体a12和树脂模具分体b13，二者可以粘接组合以方便钼丝的放入，并且在树脂模具分体a12上设计有放置钼丝的弧形槽14，放置钼丝的弧形槽14共4个，在树脂模具分体a12的两端各两个，以用来定位钼丝。接下来，将第一钼丝9和第二钼丝10放置于树脂模具中，其中第二钼丝10是由不同长度丝材钎焊而成。

将有机物溶于去离子水中制成预混液，随后加入陶瓷粉末制成陶瓷浆料，灌注前加入引发剂和催化剂，混合均匀。其中氧化铝陶瓷颗粒占浆料的质量比为80％～88％，余量为去离子水；有机物为丙烯酰胺单体、N,N′—亚甲基双丙烯酰胺按(15-25):1的质量比配成的混合物，在去离子水中质量浓度为10％～20％；引发剂和催化剂为过硫酸胺水溶液和四甲基乙二胺水溶液，二者的加入量分别为预混液质量的0.5～1％和0.1％～1％。

将陶瓷浆料灌注入树脂模具中，填充树脂模具壳体内壁与钼丝之间的孔道区域，在陶瓷浆料原位固化后制得中心为耐高温难熔金属钼丝表面为陶瓷的冲击孔芯坯体，再经干燥、脱脂、烧结后制得由钼丝和陶瓷复合的冲击孔芯17，冲击孔芯17的表面为钼丝表面陶瓷层8。

其中，加热脱脂采取先慢后快的加热方式，加热设备为箱式电阻加热炉，室温入炉以每小时30℃升温至300℃，保温0.5～1小时；接着以每小时100℃～150℃升温至600℃，保温0.5～1小时；再以每小时200℃～300℃升温至900℃～1000℃，保温3～5小时；随炉冷却至室温，得到冲击孔芯17。

2)制造空心涡轮叶片铸型

参见图10至图12，将冲击孔芯17与第一主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯5、第二主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯6及第三主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯7，并固定于空心涡轮叶片的蜡模模具15中，其中，冲击孔芯17设置在第一主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯5与第二主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯6之间，这样在空心涡轮叶片的蜡模模具15的两个半体之间就形成蜡模模具的型腔16，经注蜡(如图11)和分离蜡模模具后，得到含有型芯的蜡型18。

在蜡型18表面涂挂氧化铝陶瓷浆料制备陶瓷型壳19，经化蜡和焙烧工艺处理后，制得最终用于灌注熔融高温金属液的陶瓷铸型，它包含了三个主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯、冲击孔芯17和空心涡轮叶片的原型空腔。

3)铸造空心涡轮叶片

对陶瓷铸型进行预热并在其型腔中浇注熔融金属液，待铸件冷却后，用机械和化学相结合的方法清理陶瓷铸型的陶瓷型壳19、三个主冷却通道的氧化铝陶瓷型芯及冲击孔芯17中的钼丝，获得带有主冷却通道孔和冲击孔的空心涡轮叶片。

综上所述，本发明制造中心为难熔金属钼丝、表面为陶瓷层、含有多个冲击孔芯的一体化结构，并与空心涡轮叶片主冷却通道型芯进行组装，其最大优势在于能有效解决传统熔模铸造过程中冲击孔芯强度不足、容易断裂的问题，而且多个冲击孔芯一体成型，也降低了后续装配误差。此外，本发明仅仅使用了简单的圆柱形钼丝，并使用凝胶注模法成型固化钼丝表面陶瓷层，工艺过程简单易控，同时使用光固化快速成型技术制造树脂模具，利用树脂模具控制冲击孔芯的外形、尺寸及与主冷却通道型芯匹配处的轮廓形状，省去了现有金属芯成型过程中所需的复杂机加工和材料成型工艺。

Claims (9)

1.一种带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先通过注射成型法制备与空心涡轮叶片内部多个主冷却通道相对应的多个氧化铝陶瓷型芯，其中，至少有两个相邻的氧化铝陶瓷型芯上均包含了装配冲击孔芯的凹槽结构；

2)制备冲击孔芯的树脂模具，并将钼丝置于树脂模具中，接下来将有机物溶于去离子水中制成预混液，随后在预混液中加入陶瓷粉末制成陶瓷浆料，灌注前向陶瓷浆料中加入引发剂和催化剂，并混合均匀；

3)将加入引发剂和催化剂的陶瓷浆料灌注入冲击孔芯的树脂模具中，填充树脂模具壳体内壁与钼丝之间的孔道区域，在陶瓷浆料原位固化后制得中心为钼丝表面为陶瓷的冲击孔芯坯体，再依次经干燥、加热脱脂、烧结后制得由钼丝和陶瓷复合的冲击孔芯；

4)将由钼丝和陶瓷复合的冲击孔芯与步骤1)制备的多个氧化铝陶瓷型芯进行组合装配，并置于空心涡轮叶片的蜡模模具中，然后向蜡模模具的型腔中注蜡、待型腔中的蜡凝固后分离蜡模模具，在蜡型表面涂挂陶瓷浆料制备陶瓷型壳，经化蜡、焙烧工艺后，制得含有型芯和型壳结构的陶瓷铸型；

5)向步骤4)制得的陶瓷铸型中浇注熔融高温金属液，待金属液冷却凝固成型后，清除陶瓷铸型、多个氧化铝陶瓷型芯以及冲击孔芯，得到包括多个主冷却通道和冲击孔结构的空心涡轮叶片；

其中，有机物为丙烯酰胺单体和N,N′—亚甲基双丙烯酰胺按的质量比为(15-25):1配成的混合物，引发剂为过硫酸胺水溶液，催化剂为四甲基乙二胺水溶液。

2.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，空心涡轮叶片内部至少有两个相邻的主冷却通道之间设有冲击孔。

3.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，陶瓷粉末为氧化铝陶瓷粉末。

4.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，冲击孔的直径为1mm～1.5mm，钼丝的直径为0.2mm。

5.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，树脂模具采用激光快速固化光敏树脂制备，且该树脂模具能够通过加热脱脂去除。

6.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，陶瓷浆料中陶瓷粉末占陶瓷浆料的质量比为80％～88％，余量为去离子水。

7.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，有机物在去离子水中质量浓度为10％～20％；引发剂和催化剂的加入量分别为预混液质量的0.5～1％和0.1％～1％。

8.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，加热脱脂采取先慢后快的加热方式，加热设备为箱式电阻加热炉，室温入炉以每小时30℃升温至300℃，保温0.5～1小时；接着以每小时100℃～150℃升温至600℃，保温0.5～1小时；再以每小时200℃～300℃升温至900℃～1000℃，保温3～5小时；随炉冷却至室温。

9.根据权利要求1所述的带有冲击孔结构的空心涡轮叶片制造方法，其特征在于，在脱芯时，将空心涡轮叶片置于质量分数60％的KOH溶液中除去氧化铝陶瓷型芯及钼丝表层氧化铝陶瓷，再将钼丝从空心涡轮叶片中空的主冷却通道中机械抽出。