CN104185517B - 浸渍用于制造涡轮机叶片的陶瓷型芯的方法 - Google Patents

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Abstract

用于机械地增强在通过熔模铸造方法的涡轮发动机部件制造中使用的陶瓷型芯的浸渍方法，该方法涉及在通过在水中溶解聚乙烯醇(PVAl)获得的混合物中浸涂所述芯，随后将所述芯浸没在纯水中并热聚合反应，其特征在于，剂量在每升水100到200克PVAl之间。浸渍时间优选地在20分钟到1小时30分钟之间。

Description

浸渍用于制造涡轮机叶片的陶瓷型芯的方法
技术领域
本发明的领域是涡轮发动机，更具体地，是这些涡轮发动机的金属叶片组件的制造。
背景技术
为了制造如用于涡轮发动机的金属叶片组件等部件，其具有带有复杂几何形状的内部空腔，通常使用被称为失蜡铸造的技术。这包括用之后可很容易除去的蜡或其他等同材料生产部件的初始模型。
制造过程开始于生产一种形成翻砂型芯并包括叶片组件的内部空腔的内部部件。然后使用注射模具进行蜡模，芯放置到注射模具内以及蜡注射到注射模具内。然后在该模型周围形成陶瓷外壳，该外壳包括通过在几个料浆内连续浸涂而生产的多个层。料浆由带有胶状矿物粘合剂以及必要时添加剂的陶瓷材料颗粒组成。
外壳模具然后脱蜡，脱蜡是一种除去形成原始蜡模型的材料的操作。在已除去该模型后，获得了陶瓷模具，其内腔再产生叶片的所有形状并且该模具仍封装用于产生叶片的内部空腔的陶瓷型芯。模具然后经过高温热处理或“烘烤”，这赋予它必要的力学性能。
外壳模具因此准备用于通过铸造制造金属部件。在已经检查了外壳模具的内部和外部完整性之后，下一步骤包括铸造熔融金属，其占据外壳模具内壁和陶瓷型芯之间的空余空间，然后固化所述金属。最后，在已经铸造了合金后，外壳通过抖动操作断裂，然后经由化学处理除去了在叶片中保持封装的陶瓷型芯以及用通过加工或抛光的精加工制造金属部件端部。
陶瓷型芯经常遇到的问题是它们具有非常精细的几何图形并且在经由注蜡的过模过程中它们容易断裂或变形。因此在制造过程结束时有必要实施加固操作。目前使用的一种方法包括使用与稀释剂混合的树脂填充陶瓷型芯的孔隙，然后聚合反应该树脂，其然后能使其机械强度翻两番。常用的产品是聚环氧化物树脂，如环氧树脂以及由混合溶剂组成的稀释剂，如甲苯和甲醇。
这些产品的缺点是，它们通常有毒(分类为CMR，即致癌，致突变或生殖有毒的)并且它们需要由操作者实施的保护措施。除此之外，它们需要，在[法国]劳动法下，他们需要穿戴个人防护设备和对于每个操作者接触的特定监视，以及以下的前提，抽吸系统和干燥设备符合ATEX(爆燃性空气)命令。
已经通过专利申请GB2263658提供了一种解决方案，其建议使用水作为溶剂以及使用不同的浸渍产品，包括聚乙烯醇(PVA)。它建议聚乙烯醇浓度在10％的极限内，换句话说，每升水大约10克，并且认为该浓度是不被超过的极限值，因为产品然后变得太粘稠。
申请人想知道该极限并想知道更高浓度是否可进一步改进该情况，以及分析由此可出现的限制。
发明内容
本发明的目的是提出一种比用于机械增强型芯的当前产品更好实施的产品，并且其符合关于保护员工的健康和安全以及保护环境的责任。
为此，本发明的主题是一种用于机械地增强在通过失蜡铸造的涡轮发动机部件制造中使用的陶瓷型芯的浸渍方法，包括在通过在水中溶解聚乙烯醇获得的混合物中浸涂所述陶瓷型芯，随后将所述陶瓷型芯浸没在纯水中并热聚合反应，其特征在于，混合比例在每升水100到200克聚乙烯醇之间。
有利地，通过浸涂的浸渍时间在20分钟到1小时30分钟之间。由于其相对高的粘度，长时间对于浸渍产品是必要的，以适当地渗透所述陶瓷型芯的孔。
优选地，所述热聚合反应在90℃到120℃之间的温度发生。
更优选地，所述热聚合反应在30分钟至2小时之间的时期内发生。
本发明还涉及一种通过失蜡铸造制造带有内部空腔的涡轮发动机叶片的方法，所述方法包括生产代表所述内部空腔的陶瓷型芯的步骤，其特征在于，它包括经由上述方法机械地增强所述陶瓷型芯的步骤。
附图说明
在阅读以下给出的详细的说明性描述—本发明的实施例作为纯粹说明性的和非限制性的示例给出—参考示意性附图，将更好地理解本发明，以及其他目的，细节，特征和优点将变得更加明显。在这些图中：
—图1是给出通过用根据本发明的产品浸渍叶片的陶瓷型芯获得的结果的表格；
—图2和图3是使用根据本发明的浸渍产品和使用现有技术的产品所获得材料的两个物理属性的比较图解视图。
具体实施方式
图1示出了对于聚乙烯醇在水中的不同浓度以及对于各种制造条件(浸渍时间和烘烤时间和温度)，从代表涡轮发动机叶片的蜡模型芯的试样所获得的结果。
在聚乙烯醇中选定的浓度是50g/l，100g/l和200g/l以及试样的浸渍时间范围从20分钟到1小时30分钟。同时，烘烤时间和温度范围分别从35分钟到1小时30分钟，一个示例是16小时以及从90℃到172℃。需要指出的是：
—在50g/l的浓度，20分钟的浸渍时间以及在从90℃到120℃的温度下烘烤35分钟到2小时，在从14.87到20.07MPa范围内获得的断裂应力以及范围从13.9到16.87GPa的杨氏模量。
—在100g/l的浓度，范围从20分钟到1小时30分钟的浸渍时间以及在90℃到172℃之间的温度下烘烤1到2小时，范围从21.52到29.4MPa的断裂应力以及范围从50.3到18.11GPa的杨氏模量。
—在200g/l的浓度，范围从30分钟到1小时30分钟的浸渍时间以及在120℃的温度下烘烤1到16小时，范围从31.5到35.79MPa的断裂应力以及范围从6.67到6.53GPa的杨氏模量。
图2和图3分别示出了五种试样的断裂应力和杨氏模量：没有浸渍的试样，浸渍有在水中以50克/升比例的聚乙烯醇的试样，浸渍有以100克/升比例的聚乙烯醇的试样，浸渍有以200克/升比例的聚乙烯醇的试样以及浸渍有根据现有技术的环氧树脂的试样。
为了解决所引起的问题，本发明首先提出了放弃使用现有技术的甲苯或甲醇类型稀释剂以及用水代替它们，以除去与健康或环境保护有关的风险。为了代替现有技术的产品，已经用不同的商业产品以及这些产品在水中的不同浓度进行了一系列的测试。也已经评估了与产品的固溶热处理有关的不同参数(浓度、搅拌、温度)以及不同的干燥和聚合反应参数(温度、时间)。
总之，本发明选定聚乙烯醇作为浸渍产品，聚乙烯醇溶于水并且其粘合性与乳化性能是已知的。通过聚醋酸乙烯酯的碱性水解(氢氧化钠、钾)获得聚乙烯醇，其化学式是-(CH2CHOH)n-。它可用作脱模剂或填料，以及因此提供了形成常规膜的益处，其可环绕模具并且在制造涡轮发动机叶片的情况下其可因此环绕蜡模型的芯。在具有涂附和粘着的成膜性能的几个可溶性产品上进行一系列测试后最终被优选的该产品具有渗透到芯表面内孔，填充它们以及从而形成通过干燥或通过热聚合反应被固化的外壳的优点。在测试完成后，根据机械性能的所需增加，所建议的浓度为从100到200g/l。
由本发明产品提供的机械增强效果因此是双重的：它通过除去一部分孔隙产生第一增强作用，该孔隙会减少陶瓷材料的机械性能，以及通过在陶瓷型芯周围形成涂层产生第二增强作用，涂层本身具有自己的机械性能。
所建议的本发明的实施方式包括通过在加热到80°的水中溶解聚乙烯醇来制备混合物，以加速其溶解。陶瓷型芯然后浸没在混合物中，然后在蒸馏水中，以除去多余的混合物。最后，它们在烤箱中进行热聚合反应。在陶瓷型芯上获得的质量增益在2％左右。
由本发明所提供的第一增益在于使用水作为溶剂，它消除了先前有机溶剂遇到的毒性问题。另一方面，该选择意味着放弃标准树脂并且替代地选择如聚乙烯醇的产品，其溶于水并且其热聚合反应充分地加固陶瓷型芯。在开发本发明的过程中遇到的困难之一在于能够充分地集中混合物以在热聚合反应后增加其机械加固的有效性，同时保持相对低的粘度以适当地浸渍陶瓷型芯。
用水和聚乙烯醇所获得的结果示出了(见图2和图3)在材料属性上的明显提高，其事实上仍不如用现有技术的有机溶剂所获得的，但对于用于制造涡轮发动机叶片的陶瓷型芯的方法已经足够。因此，可以看出的是，对于大约100g/l-200g/l的混合物比例，与未处理的试样相比，断裂强度增强3倍(在现有技术中增强4倍)，以及杨氏模量增强2倍(在现有技术中增强4倍)。
再参见图2和图3时，还可以观察到的是，通过采用超过100g/l的聚乙烯醇浓度进一步提高陶瓷型芯的机械强度。特别地，在弯曲断裂强度内获得的增益特别地值得，因为这些芯易碎并且很难操作。实际上，该增益被获得到粘度的更大损害程度，其特别地高于由现有技术建议的极限值。不可否认的是，太高的粘度是有害的，因为在纯水中的清洗阶段更困难，该阶段在浸渍之后以移除芯上的过多产品。这是因为某些表面—极端薄而易碎以及从其凹槽可能很难移出产品—不应该过度地工作。申请人因此观察到，考虑到发生的风险，超过200g/l的增益不合理。
尽管更高的浓度提高了浸渍型芯的机械强度，但必须调整制造进度以考虑粘度。产品必须保持与芯接触更长时间以有时间深入地渗透到芯的表面以下，从而适当地填充孔。与现有技术中大约5分钟的极短时间相比，浸渍时间因此必须增加到不少于30分钟的值。
简而言之，申请人已经反对将最大允许浓度确定到10g/l的现有技术教导，并观察到可能进一步提高芯的机械强度，假设对制造进度进行调整的话。

Claims (5)

1.用于机械地增强在经由失蜡铸造的涡轮发动机部件制造中使用的陶瓷型芯的浸渍方法，其包括在通过在水中溶解聚乙烯醇获得的混合物中浸涂所述陶瓷型芯，随后将所述陶瓷型芯浸没在纯水中并热聚合反应，其特征在于，混合比例在每升水100到200克聚乙烯醇之间。
2.根据权利要求1所述的浸渍方法，其中，通过浸涂的浸渍时间在20分钟到1小时30分钟之间。
3.根据权利要求1或2所述的浸渍方法，其中，所述热聚合反应发生的温度为90℃到120℃之间。
4.根据权利要求3所述的浸渍方法，其中，所述热聚合反应持续的时间为30分钟至2小时之间。
5.通过失蜡铸造制造带有内部空腔的涡轮发动机叶片的方法，它包括生产代表内部空腔的陶瓷型芯的步骤，其特征在于，它包括经由根据权利要求1到4任一所述的浸渍方法机械地增强所述陶瓷型芯的步骤。
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