CN104028699B - 一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法。本发明是以SiO2粉末、ZrO2粉末和粘结剂为原料，加热到120~140℃形成料浆，向模具中注入料浆，得到陶瓷型芯的盆部和背部，将二者组合在一起，放进高温炉中焙烧，焙烧完成后，放入强化液中浸泡0.5~3h，得到分体式中空陶瓷型芯，将5件分体式中空陶瓷型芯放在平台上，经陶瓷衬套组合，最终形成导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，并在接缝处涂刷钇溶胶光滑平整过度。本发明方法制造分体组合式空心陶瓷型芯，大大降低了陶瓷型芯的制造难度，陶瓷型芯尺寸也得到了有效控制，且具有高温强度好，易脱出等优点，从而达到减少铸件变形、提高产品合格率的目的。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造技术领域，具体涉及一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法。
背景技术
为了提升发动机的可靠性，发动机中的重要部件，如导叶内环的制造质量亟待提高。以往导叶内环多采用锻件与铸件或铸件与铸件分体制造，然后通过焊接方式拼装为针体，这种制造方法存在诸多焊接应力，零件易变形，同时耗费大量的人力、物力和财力。专利号为2010106147181公开了一种通过开工艺窗口制备导叶内环的方法，虽然突破了导叶内环用焊接成型的传统工艺方法，缩短了加工周期名节约了大量的金属原材料，提高了其性能，是发动机结构设计中的一次重大改进，但最终还是避免部了多道的焊接工序，即还要将外环的15个通孔、内环的35个喷嘴小孔焊接在内环整体母铸件上，最后再将14个15mmX20mm的堵块焊接在工艺窗口上，形成最终产品。如果用整体陶瓷型芯形成导叶内环复杂内腔，将是导叶内环精铸工艺上的一次重大变革，但整体陶瓷型芯复杂，尺寸较大，最大尺寸￠560，制造模具费用昂贵，需要大尺寸的烧结炉，且烧结时容易变形，产生裂纹，陶瓷型芯的合格率较低。此外，整体陶瓷型芯不能是空心结构，因此，陶瓷型芯烧不透，强化效果不好，高温强度不好，浇注时容易断芯、漏芯，且型芯脱除性也不好。
发明内容
针对现有导叶内环结构件制造技术的存在的不足，本发明提供一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法，目的是降低陶瓷型芯的制造难度，有效控制陶瓷型芯的尺寸，从而减少铸件变形、提高产品合格率。
（1）准备原料：将占原料总重量30~37wt.%的粒度为220目的SiO2粉末、18~27wt.%的粒度为300目的SiO2粉末、32~35wt.%粒度为300目的ZrO2粉末和8~17wt.%的粘结剂混匀，加热到120~140℃形成料浆，搅拌3~8h，然后将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用；
（2）压制型芯：将陶瓷型芯盆部模具加热至40~50℃，控制合模压力为6Mpa，注浆压力为3Mpa，向陶瓷型芯盆部模具中注入料浆，控制注浆时间为20秒，然后保压20秒，打开模具，得到陶瓷型芯的盆部；
将模具更换为陶瓷型芯背部模具，重复加热、注浆、保压，得到陶瓷型芯的背部；
将盆部和背部放在校正模上，加压保持2分钟，完成校型；
（3）焙烧型芯：采用夹具将陶瓷型芯的盆部和背部组合在一起，在组合缝隙处刷步骤（1）中制备的料浆，得到素胚陶芯，将素胚陶芯放进陶钵中，加满Al2O3填料，保持填料平实，将钵体放进高温炉中焙烧，先于200℃保温2~4h，然后于400℃保温3~5h，再于900℃保温1~3h，最后于1100~1180℃保温12~36h；
（4）强化型芯：焙烧完成后，在陶钵中取出陶瓷型芯，并清理表面细沙，放入强化液中浸泡0.5~3h，取出自然晾干，得到分体式中空陶瓷型芯；
（5）组合陶瓷型芯：将由三坐标机测量合格的5件分体式中空陶瓷型芯放在平台上，经5个陶瓷衬套组合，最终形成导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，并在接缝处涂刷钇溶胶光滑平整过度。
其中，所述的SiO2粉末的质量纯度≥99.5%。
所述的ZrO2粉末的质量纯度≥66%。
所述的粘结剂选用白石蜡，规格为60-62#。
所述的强化液是将环氧树脂按照体积比1：1溶解在酒精中，再将固化剂按照体积比1:1溶解在酒精中，二者再按照体积比1:1进行混合，所述的固化剂是聚酰胺。
所述的步骤（4）强化完毕后，当所述导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯用于铸造钛合金铸件时，还可以用细砂纸清除分体式中空陶瓷型芯表面的细砂，用毛刷蘸满钇溶胶涂刷在陶芯表面，待干燥后涂刷第二次，确保陶瓷型芯有均匀防护层。
本发明制备得到的导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，由5件相同的分体式中空陶瓷型芯组成圆环形，形成了中心对称结构，所述的分体式中空陶瓷型芯之间通过粘结浆料相连，每件分体式中空陶瓷型芯由背部和盆部组成，所述的背部是绕对称中心旋转所形成的1/5圆环体，所述的盆部横截面形状是两侧宽度相等的“L”形，绕对称中心旋转形成1/5“L”形圆环体，在“L”形的左侧面上设有沿圆环径向均匀分布的空心圆锥定位头，“L”形的右侧面上设有与右侧面成锐角且均分分布的实心圆柱定位头，背部和盆部通过粘结剂相连后再经焙烧，二者之间形成空腔。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明原料的选用原则是：当陶瓷型芯用于钛合金精铸时，要求陶瓷型芯具备耐高温、变形小、易脱除、不与钛合金发生反应，常用陶瓷型芯材料中Al2O3基材料虽然不与钛合金有明显反应，但变形大，不易脱除，因此不适合选用；SiO2基材料陶瓷型芯具有耐高温、变形小、易脱除的明显优点，但SiO2在高温中会产生与钛合金产生气化腐蚀点，这一缺点可以通过在陶芯表面涂防护层加以控制；当陶瓷型芯用于镍基高温合金时则可直接选择SiO2基材料作为陶瓷型芯材料，因此本发明选择以高纯SiO2为主材，氧化锆为矿化剂的陶瓷材料。
本发明将素胚陶芯先于200℃保温2~4h，是为了将陶瓷型芯中的粘结剂缓慢排出,进入Al2O3填料中，温度过高的话，将导致粘结剂排出速度过快，从而导致陶瓷型芯裂纹及表面鼓包，保温时间过短的话，粘结剂不能完全排除，从而导致陶瓷型芯裂纹及表面鼓包，然后于400℃保温3~5h，目的是将进入填料中的粘结剂气化，保温时间过短的话，容易导致陶瓷型芯表面粘接Al2O3填料，再于900℃保温1~3h是为了缓解烧结速度，最后于1100~1180℃保温12~36h，是基于终烧温度过低的话，方石英转变少，从而导致陶瓷型芯强度低，终烧温度过高的话，方石英转变太多，从而导致陶瓷型芯裂纹、变形；保温时间过短的话，方石英转变少，从而导致陶瓷型芯强度低，保温时间过长的话，方石英转变太多，从而导致陶瓷型芯裂纹、变形。
采用本发明方法制造分体组合式空心陶瓷型芯，大大降低了陶瓷型芯的制造难度，陶瓷型芯尺寸也得到了有效控制，且具有高温强度好，易脱出等优点，从而达到减少铸件变形、提高产品合格率的目的。
附图说明：
图1是本发明的导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯结构示意图；
其中：1：分体式中空陶瓷型芯；1-1：盆部；1-2：背部；1-3：空心圆锥定位头；1-4：空心圆柱定位头；
图2是图1中1的具体结构示意图；
图3是图2的A-A截面在第三象限的投影示意图；
其中：2：粘结浆料；
图4是图3中1-2的具体形状示意图；
图5是图4的B-B截面在第三象限的投影示意图；
图6是图2中1-1的具体结构示意图；
图7是图6的C-C截面在第三象限的投影示意图；
图8是本发明的导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯在进行组合时的示意图；
其中：3：陶瓷衬套。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明实施例中采用的SiO2粉末的质量纯度≥99.5%，ZrO2粉末的质量纯度≥66%，粘结剂选用白石蜡，规格为60-62#。
本发明实施例中制备得到的导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯结构如图1-8所示。
实施例1
（1）准备原料：将占原料总重量33wt.%的粒度为220目的SiO2粉末、21wt.%的粒度为300目的SiO2粉末、35wt.%粒度为300目的ZrO2粉末和11wt.%的粘结剂混匀，加热到130℃形成料浆，搅拌6h，然后将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用；
（2）压制型芯：将陶瓷型芯盆部模具加热至45℃，控制合模压力为6Mpa，注浆压力为3Mpa，向陶瓷型芯盆部模具中注入料浆，控制注浆时间为20秒，然后保压20秒，打开模具，得到陶瓷型芯的盆部；
将模具更换为陶瓷型芯背部模具，重复加热、注浆、保压，得到陶瓷型芯的背部；
将盆部和背部放在校正模上，加压保持2分钟，完成校型；
（3）焙烧型芯：采用夹具将陶瓷型芯的盆部和背部组合在一起，在组合缝隙处刷步骤（1）中的料浆，得到素胚陶芯，将素胚陶芯放进陶钵中，加满Al2O3填料，保持填料平实，将钵体放进高温炉中焙烧，先于200℃保温2h，然后于400℃保温3h，再于900℃保温1h，最后于1100℃保温36h；
（4）强化型芯：焙烧完成后，在陶钵中取出陶瓷型芯，并清理表面细沙，放入强化液中浸泡1.5h，取出自然晾干，得到分体式中空陶瓷型芯；
本实施例的导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯用于铸造钛合金铸件，用细砂纸清除分体式中空陶瓷型芯表面的细砂，用毛刷蘸满钇溶胶涂刷在陶芯表面，待干燥后涂刷第二次，确保陶陶瓷型芯有均匀防护层；
（5）组合陶瓷型芯：将由三坐标机测量合格的5件分体式中空陶瓷型芯放在平台上，经5个陶瓷衬套组合，最终形成导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，并在接缝处涂刷钇溶胶光滑平整过度。
所述的强化液是将环氧树脂按照体积比1：1溶解在酒精中，再将固化剂按照体积比比1:1溶解在酒精中，二者再按照体积比1:1进行混合，所述的固化剂是聚酰胺。
实施例2
（1）准备原料：将占原料总重量30wt.%的粒度为220目的SiO2粉末、18wt.%的粒度为300目的SiO2粉末、35wt.%粒度为300目的ZrO2粉末和17wt.%的粘结剂混匀，加热到130℃形成料浆，搅拌6h，然后将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用；
（2）压制型芯：采用夹具将陶瓷型芯盆部模具加热至40℃，控制合模压力为6Mpa，注浆压力为3Mpa，向陶瓷型芯盆部模具中注入料浆，控制注浆时间为20秒，然后保压20秒，打开模具，得到陶瓷型芯的盆部；
将模具更换为陶瓷型芯背部模具，重复加热、注浆、保压，得到陶瓷型芯的背部；
将盆部和背部放在校正模上，加压保持2分钟，完成校型；
（3）焙烧型芯：将陶瓷型芯的盆部和背部组合在一起，在组合缝隙处刷步骤（1）中的料浆，得到素胚陶芯，将素胚陶芯放进陶钵中，加满Al2O3填料，保持填料平实，将钵体放进高温炉中焙烧，先于200℃保温4h，然后于400℃保温5h，再于900℃保温2h，最后于1150℃保温24h；
（4）强化型芯：焙烧完成后，在陶钵中取出陶瓷型芯，并清理表面细沙，放入强化液中浸泡0.5h，取出自然晾干，得到分体式中空陶瓷型芯；
（5）组合陶瓷型芯：将由三坐标机测量合格的5件分体式中空陶瓷型芯放在平台上，经5个陶瓷衬套组合，最终形成导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，并在接缝处涂刷钇溶胶光滑平整过度。
所述的强化液是将环氧树脂按照体积比1：1溶解在酒精中，再将固化剂按照体积比比1:1溶解在酒精中，二者再按照体积比1:1进行混合，所述的固化剂是聚酰胺。
实施例3
（1）准备原料：将占原料总重量37wt.%的粒度为220目的SiO2粉末、23wt.%的粒度为300目的SiO2粉末、32wt.%粒度为300目的ZrO2粉末和8wt.%的粘结剂混匀，加热到130℃形成料浆，搅拌6h，然后将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用；
（2）压制型芯：采用夹具将陶瓷型芯盆部模具加热至50℃，控制合模压力为6Mpa，注浆压力为3Mpa，向陶瓷型芯盆部模具中注入料浆，控制注浆时间为20秒，然后保压20秒，打开模具，得到陶瓷型芯的盆部；
将模具更换为陶瓷型芯背部模具，重复加热、注浆、保压，得到陶瓷型芯的背部；
将盆部和背部放在校正模上，加压保持2分钟，完成校型；
（3）焙烧型芯：将陶瓷型芯的盆部和背部组合在一起，在组合缝隙处刷步骤（1）中的料浆，得到素胚陶芯，将素胚陶芯放进陶钵中，加满Al2O3填料，保持填料平实，将钵体放进高温炉中焙烧，先于200℃保温3h，然后于400℃保温4h，再于900℃保温3h，最后于1100℃保温12h；
（4）强化型芯：焙烧完成后，在陶钵中取出陶瓷型芯，并清理表面细沙，放入强化液中浸泡1.5h，取出自然晾干，得到分体式中空陶瓷型芯；
（5）组合陶瓷型芯：将由三坐标机测量合格的5件分体式中空陶瓷型芯放在平台上，经5个陶瓷衬套组合，最终形成导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，并在接缝处涂刷钇溶胶光滑平整过度。
所述的强化液是将环氧树脂按照体积比1：1溶解在酒精中，再将固化剂按照体积比比1:1溶解在酒精中，二者再按照体积比1:1进行混合，所述的固化剂是聚酰胺。
Claims (5)
1.一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）准备原料：将占原料总重量30~37wt.%的粒度为220目的SiO2粉末、18~27wt.%的粒度为300目的SiO2粉末、32~35wt.%粒度为300目的ZrO2粉末和8~17wt.%的粘结剂混匀，加热到120~140℃形成料浆，搅拌3~8h，然后将料浆倒入陶瓷型芯压注机料桶中，搅拌待用；
（2）压制型芯：将陶瓷型芯盆部模具加热至40~50℃，控制合模压力为6Mpa，注浆压力为3Mpa，向陶瓷型芯盆部模具中注入料浆，控制注浆时间为20秒，然后保压20秒，打开模具，得到陶瓷型芯的盆部；
将模具更换为陶瓷型芯背部模具，重复加热、注浆、保压，得到陶瓷型芯的背部；
将盆部和背部放在校正模上，加压保持2分钟，完成校型；
（3）焙烧型芯：将陶瓷型芯的盆部和背部组合在一起，在组合缝隙处刷步骤（1）中制备的料浆，得到素胚陶芯，将素胚陶芯放进陶钵中，加满Al2O3填料，保持填料平实，将钵体放进高温炉中焙烧，先于200℃保温2~4h，然后于400℃保温3~5h，再于900℃保温1~3h，最后于1100~1180℃保温12~36h；
（4）强化型芯：焙烧完成后，在陶钵中取出陶瓷型芯，并清理表面细沙，放入强化液中浸泡0.5~3h，所述的强化液是将环氧树脂按照体积比1：1溶解在酒精中，再将固化剂按照体积比1:1溶解在酒精中，二者再按照体积比1:1进行混合，所述的固化剂是聚酰胺，取出自然晾干，得到分体式中空陶瓷型芯；
（5）组合陶瓷型芯：将由三坐标机测量合格的5件分体式中空陶瓷型芯放在平台上，经5个陶瓷衬套组合，最终形成导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯，并在接缝处涂刷钇溶胶光滑平整过度。
2.根据权利要求1所述的一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述的SiO2粉末的质量纯度≥99.5%。
3.根据权利要求1所述的一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述的ZrO2粉末的质量纯度≥66%。
4.根据权利要求1所述的一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述的粘结剂选用白石蜡，规格为60-62#。
5.根据权利要求1所述的一种导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于所述的步骤（4）强化完毕后，当所述导叶内环分体组合式空心陶瓷型芯用于铸造钛合金铸件时，用细砂纸清除分体式中空陶瓷型芯表面的细砂，用毛刷蘸满钇溶胶涂刷在陶芯表面，待干燥后涂刷第二次，确保陶瓷型芯有均匀防护层。
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