CN104646633B - 局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，属于高温合金技术领域，首先制备主陶瓷型芯1#陶瓷型芯、3#陶瓷型芯和高性能局部型芯2#陶瓷型芯，1#陶瓷型芯与3#陶瓷型芯具有独立定位芯头，2#陶瓷型芯为独立柱状或管状结构；将2#陶瓷型芯整体浸涂一薄层蜡，然后将处理后的2#陶瓷型芯与1#陶瓷型芯和3#陶瓷型芯组合后放入蜡模模具中压蜡，最后经涂料制壳、脱蜡、烧结、单晶定向凝固、脱芯工序制得成品叶片。本发明有效避免了陶瓷型芯的断裂现象产生，适于工业应用。
Description
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，特别涉及一种复杂结构单晶空心涡轮叶片陶瓷型芯制备工艺。
背景技术
航空发动机最关键的热端部件是涡轮叶片，为了提高热效率，涡轮叶片前进气温度越来越高。单晶合金叶片去除了晶界的影响因而可以在更高的温度下使用，通常比定向合金叶片高30℃，比多晶叶片高近100℃，但这还不能完全满足现代航空工业的要求。因此，在现在所有的燃气轮机叶片中都采用空气冷却技术。空气冷却效果的高低与叶片的气冷结构有密切关系，为了追求更高的气体冷却效果，叶片的空心结构也越来越复杂，在这个冷却结构中存在纵横交错的换热肋、扰流柱及各种沟槽结构。通常，涡轮叶片采用精密铸造方法制备，复杂空心结构采用陶瓷型芯来形成。空心叶片用陶瓷型芯由于结构的复杂性使得其在烧结过程中或定向凝固过程中在纤细处非常容易断裂，特别是在叶间处的小孔径通道处，见图一，这使得叶片的合格率大为降低，生产成本也大大提高。因此，如何解决单晶空心叶片陶瓷型芯中微小尺寸处断裂提高叶片成品率是生产中急需解决的问题。
发明内容
发明目的：
本发明涉及一种局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯的制备工艺，其目的是为了满足复杂内腔结构单晶涡轮叶片制备高合格率的需求。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：该工艺方法步骤如下：
首先制备主陶瓷型芯1#陶瓷型芯、3#陶瓷型芯和高性能局部型芯2#陶瓷型芯，1#陶瓷型芯与3#陶瓷型芯具有独立定位芯头，2#陶瓷型芯为独立柱状或管状结构；将2#陶瓷型芯整体浸涂一薄层蜡，然后将处理后的2#陶瓷型芯与1#陶瓷型芯和3#陶瓷型芯组合后放入蜡模模具中压蜡，最后经涂料制壳、脱蜡、烧结、单晶定向凝固、脱芯工序制得成品叶片。
1#陶瓷型芯及3#陶瓷型芯需预留与2#陶瓷型芯尺寸相当的座孔，座孔的直径需大于2#陶瓷型芯的直径尺寸5-20微米，座孔长度为1-3毫米。
2#陶瓷型芯为纯石英玻璃管或纯石英玻璃柱，其直径小于等于2毫米。
1#陶瓷型芯与3#陶瓷型芯为二氧化硅基陶瓷型芯或氧化铝基陶瓷型芯。
2#陶瓷型芯侧面涂蜡膜厚度为5-30微米，型芯端面涂蜡模厚度为0.5-2毫米。
2#陶瓷型芯与1#陶瓷型芯、3#陶瓷型芯组合后的露头尺寸为1-3毫米。
叶片蜡模制备注射温度55-65℃，注射压力0.3-0.6 MPa，注射时间10-20秒，保压时间10-20秒。
涂料制壳时选用硅溶胶和氧化铝粉制备型壳，涂料6-8层。
采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为150-170℃，压力6-8个大气压，时间为10-20分钟。
制备单晶叶片的工艺为保温炉上区温度1480-1500℃，下区1480-1520℃，抽拉速率3-12㎜/分钟。
优点及效果：
本发明涉及一种局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，具有如下优点：
采用局部高性能型芯与主芯组合方法及局部自由膨胀与收缩技术，充分释放整体陶瓷型芯凝固过程中产生的应力，进而避免陶瓷型芯纤细处的断裂现象产生，保证叶片内腔的整体完整性，使单晶叶片的合格率明显提高，其生产成本也大大降低，因此，该发明具有良好的经济效益及工程应用前景。
附图说明
图1为普通陶瓷型芯结构示意图；
图2为本发明局部可自由伸缩的陶瓷型芯示意图。
附图标记说明：
1、1#陶瓷型芯；2、2#陶瓷型芯；3、3#陶瓷型芯；4、蜡膜；5、芯头；6、座孔；L、露头。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的限制。
本发明的原理是采用局部高性能型芯与主芯组合方法及局部自由膨胀与收缩技术，充分释放整体陶瓷型芯凝固过程中产生的应力，进而避免陶瓷型芯纤细处的断裂现象产生，提高单晶叶片的合格率。
一种局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：首先制备主陶瓷型芯1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3和高性能局部型芯2#陶瓷型芯2，1#陶瓷型芯1与3#陶瓷型芯3具有独立定位芯头5，2#陶瓷型芯2为独立柱状或管状结构（共4个）；将2#陶瓷型芯2整体浸涂一薄层蜡膜，然后将处理后的2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1和3#陶瓷型芯3组合后放入蜡模模具中压蜡，最后经涂料制壳、脱蜡、烧结、单晶定向凝固、脱芯等工序制得成品叶片。
1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3需预留与2#陶瓷型芯2尺寸相当的座孔6，座孔的直径需大于2#陶瓷型芯2的直径尺寸5-20微米，座孔长度为1-3毫米。
2#陶瓷型芯2为纯石英玻璃管或纯石英玻璃柱，其直径小于2毫米。
1#陶瓷型芯1与3#陶瓷型芯3为二氧化硅基陶瓷型芯或氧化铝基陶瓷型芯。
2#陶瓷型芯2侧面涂蜡膜4厚度为5-30微米，型芯端面涂蜡模厚度为0.5-2毫米。
2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3组合后的露头L尺寸为1-3毫米。
叶片蜡模制备注射温度55-65℃，注射压力0.3-0.6 MPa，注射时间10-20秒，保压时间10-20秒。
涂料制壳时选用硅溶胶及氧化铝粉制备型壳，涂料6-8层。
采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为150-170℃，压力6-8个大气压，时间为10-20分钟。
制备单晶叶片的工艺为保温炉上区温度1480-1500℃，下区1480-1520℃，抽拉速率3-12㎜/分钟。
陶瓷型芯采用NaOH或KOH水溶液脱除，碱液温度为160-180℃，压力为3-4个大气压。
实施例1
首先选用石英玻璃管作为2#陶瓷型芯，其直径为1毫米，2#陶瓷型芯2侧面涂蜡膜厚度为10微米，型芯端面涂蜡模厚度为0.5毫米；
1#和3#陶瓷型芯采用二氧化硅材料制备。1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3需预留与陶瓷型芯2尺寸相当的座孔6，座孔的直径大于2#陶瓷型芯2的直径尺寸10微米，座孔长度为1毫米；1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3具有独立定位芯头5，2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3组合后在1#型芯上的露头L长度尺寸为1毫米；将2#陶瓷型芯2整体浸涂一薄层蜡膜，然后将浸涂蜡膜处理后的2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1和3#陶瓷型芯3组合后放入蜡模模具中压叶片蜡模。
叶片蜡模注射温度为63℃，压力为0.3MPa，注射时间为10秒，保压时间为20秒；然后将选晶器和浇注系统与蜡模组合起来；蜡模第一层面层涂料，料浆为刚玉粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比为3.5:1，撒砂料为80目刚玉砂；第二层为60目刚玉砂，第三层为32目刚玉砂，第四-第六层为24目刚玉砂，最后封浆层采用面层涂料，干燥时间全部为8小时；模壳涂料工序完成后，采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为150℃，压力为6个大气压，时间为20分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为3小时，炉冷至室温并进行清洗；将模壳放置在定向炉内，上区预热到1480℃，下区预热到1500℃，将DD4单晶合金在熔炼炉内熔化，合金浇注温度为1500℃；浇注完毕后开始拉单晶，拉速为6毫米/分钟，拉制完毕后随炉冷却，然后取出。陶瓷型芯采用NaOH水溶液脱除，碱液温度为160℃，压力为3个大气压，碱煮时间为20小时，叶片上残余碱液最后采用盐酸水溶液进行中和，干燥后得到成品叶片铸件。
实施例2
首先选用石英玻璃管作为2#陶瓷型芯，其直径为0.6毫米，陶瓷型芯2侧面涂蜡膜厚度为5微米，型芯端面涂蜡模厚度为0.5毫米；
1#和3#陶瓷型芯采用二氧化硅材料制备。1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3需预留与陶瓷型芯2尺寸相当的座孔，座孔的直径大于型芯2的直径尺寸10微米，座孔长度为1毫米；1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3具有独立定位芯头，2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3组合后的在1#型芯上的露头尺寸为1毫米；然后将处理后的2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1和3#陶瓷型芯3组合后放入蜡模模具中压叶片蜡模。
叶片蜡模注射温度为65℃，压力为0.3MPa，注射时间为20秒，保压时间为20秒；然后将选晶器和浇注系统与蜡模组合起来；蜡模第一层面层涂料，料浆为刚玉粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比为3.5:1，撒砂料为80目刚玉砂；第二层为60目刚玉砂，第三层为32目刚玉砂，第四-第七层为24目刚玉砂，最后封浆层采用面层涂料，干燥时间全部为8小时；模壳涂料工序完成后，采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为160℃，压力为7个大气压，脱蜡时间为20分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为3小时，炉冷至室温并进行清洗；将模壳放置在定向炉内，上区预热到1480℃，下区预热到1500℃，将DD4单晶合金在熔炼炉内熔化，合金浇注温度为1500℃；浇注完毕后开始拉单晶，拉速为9毫米/分钟，拉制完毕后随炉冷却，然后取出。陶瓷型芯采用KOH水溶液脱除，碱液温度为160℃，压力为3个大气压，碱煮时间为20小时，叶片上残余碱液最后采用盐酸水溶液进行中和，干燥后得到成品叶片铸件。
实施例3
首先选用石英玻璃管作为2#陶瓷型芯，其直径为2毫米，2#陶瓷型芯2侧面涂蜡膜厚度为30微米，型芯端面涂蜡模厚度为1.5毫米；
1#和3#陶瓷型芯采用氧化铝材料制备。1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3需预留与陶瓷型芯2尺寸相当的座孔，座孔的直径大于2#陶瓷型芯2的直径尺寸10微米，座孔长度为3毫米；1#陶瓷型芯1与3#陶瓷型芯3具有独立定位芯头，2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3组合后的在1#陶瓷型芯上的露头尺寸为1毫米；然后将处理后的2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1和3#陶瓷型芯3组合后放入蜡模模具中压叶片蜡模。
叶片蜡模注射温度为55℃，压力为0.3MPa，注射时间为20秒，保压时间为20秒；然后将选晶器和浇注系统与蜡模组合起来；蜡模第一层面层涂料，料浆为刚玉粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比为3.5:1，撒砂料为80目刚玉砂；第二层为60目刚玉砂，第三层为32目刚玉砂，第四-第八层为24目刚玉砂，最后封浆层采用面层涂料，干燥时间全部为8小时；模壳涂料工序完成后，采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为170℃，压力为8个大气压，时间为10分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为3小时，炉冷至室温并进行清洗；将模壳放置在定向炉内，上区预热到1500℃，下区预热到1520℃，将DD6单晶合金在熔炼炉内熔化，合金浇注温度为1500℃；浇注完毕后开始拉单晶，拉速为6毫米/分钟，拉制完毕后随炉冷却，然后取出。陶瓷型芯采用NaOH水溶液脱除，碱液温度为180℃，压力为3个大气压，碱煮时间为20小时，叶片上残余碱液最后采用盐酸水溶液进行中和，干燥后得到成品叶片铸件。
实施例4
首先选用石英玻璃柱作为2#陶瓷型芯，其直径为0.1毫米，2#陶瓷型芯2侧面涂蜡膜厚度为20微米，型芯端面涂蜡模厚度为2毫米；
1#和3#陶瓷型芯采用二氧化硅材料制备。1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3需预留与陶瓷型芯2尺寸相当的座孔，座孔的直径大于型芯2的直径尺寸20微米，座孔长度为2毫米；1#陶瓷型芯1及3#陶瓷型芯3具有独立定位芯头，2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3组合后的在1#型芯上的露头尺寸为3毫米；然后将处理后的2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1和3#陶瓷型芯3组合后放入蜡模模具中压叶片蜡模。
叶片蜡模注射温度为60℃，压力为0.6MPa，注射时间为15秒，保压时间为10秒；然后将选晶器和浇注系统与蜡模组合起来；蜡模第一层面层涂料，料浆为刚玉粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比为3.5:1，撒砂料为80目刚玉砂；第二层为60目刚玉砂，第三层为32目刚玉砂，第四-第六层为24目刚玉砂，最后封浆层采用面层涂料，干燥时间全部为8小时；模壳涂料工序完成后，采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为165℃，压力为6个大气压，时间为15分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为3小时，炉冷至室温并进行清洗；将模壳放置在定向炉内，上区预热到1490℃，下区预热到1480℃，将DD4单晶合金在熔炼炉内熔化，合金浇注温度为1500℃；浇注完毕后开始拉单晶，拉速为12毫米/分钟，拉制完毕后随炉冷却，然后取出。陶瓷型芯采用NaOH水溶液脱除，碱液温度为170℃，压力为4个大气压，碱煮时间为20小时，叶片上残余碱液最后采用盐酸水溶液进行中和，干燥后得到成品叶片铸件。
实施例5
座孔的直径大于2#陶瓷型芯2的直径尺寸5微米；2#陶瓷型芯2与1#陶瓷型芯1、3#陶瓷型芯3组合后在1#型芯上的露头尺寸为3毫米；叶片蜡模注射压力为0.5MPa，保压时间为15秒；浇注完毕后开始拉单晶，拉速为3毫米/分钟；陶瓷型芯脱除时，压力为3.5个大气压，其余条件同实施例1。
Claims (8)
1.一种局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：该工艺方法步骤如下：
首先制备主陶瓷型芯1#陶瓷型芯（1）、3#陶瓷型芯（3）和高性能局部型芯2#陶瓷型芯（2），1#陶瓷型芯（1）与3#陶瓷型芯（3）具有独立定位芯头（5），2#陶瓷型芯（2）为独立柱状或管状结构；将2#陶瓷型芯（2）整体浸涂一薄层蜡，然后将处理后的2#陶瓷型芯（2）与1#陶瓷型芯（1）和3#陶瓷型芯（3）组合后放入蜡模模具中压蜡，最后经涂料制壳、脱蜡、烧结、单晶定向凝固、脱芯工序制得成品叶片；2#陶瓷型芯（2）侧面涂蜡膜（4）厚度为5-30微米，型芯端面涂蜡模厚度为0.5-2毫米；1#陶瓷型芯（1）及3#陶瓷型芯（3）需预留与2#陶瓷型芯（2）尺寸相当的座孔（6），座孔的直径需大于2#陶瓷型芯（2）的直径尺寸5-20微米，座孔长度为1-3毫米。
2.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：2#陶瓷型芯（2）为纯石英玻璃管或纯石英玻璃柱，其直径小于等于2毫米。
3.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：1#陶瓷型芯（1）与3#陶瓷型芯（3）为二氧化硅基陶瓷型芯或氧化铝基陶瓷型芯。
4.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：2#陶瓷型芯（2）与1#陶瓷型芯（1）、3#陶瓷型芯（3）组合后的露头（L）尺寸为1-3毫米。
5.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：叶片蜡模制备注射温度55-65℃，注射压力0.3-0.6 MPa，注射时间10-20秒，保压时间10-20秒。
6.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：涂料制壳时选用硅溶胶和氧化铝粉制备型壳，涂料6-8层。
7.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为150-170℃，压力6-8个大气压，时间为10-20分钟。
8.根据权利要求1所述的局部可自由伸缩的单晶叶片用复杂结构陶瓷型芯制备工艺，其特征在于：制备单晶叶片的工艺为保温炉上区温度1480-1500℃，下区1480-1520℃，抽拉速率3-12㎜/分钟。
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