CN104647586A - 一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法 - Google Patents

一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其具体制备工艺为：钼丝切成段，将钼丝段的两端进行处理，使钼丝两端形成球头，且球头外形尺寸大于钼丝直径；然后对整个钼丝段表面沉积陶瓷层，再将沉积陶瓷后的钼丝段放置在陶瓷型芯模具中陶瓷型芯易断裂部位固定；采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，然后将陶瓷型芯进行烧结制得所述陶瓷型芯。该方法采用表面包覆薄层二氧化硅或氧化铝的钼丝增强陶瓷型芯局部强度，钼丝在型芯中的位置采用钼丝两端的球头来固定，从而避免了陶瓷型芯纤细处断裂现象的产生，提高了单晶叶片的合格率，满足了复杂内腔结构单晶涡轮叶片制备高合格率的需求。

Description

一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法
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叶片用复合陶瓷型芯的制备方法。
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1，这使得叶片的合格率大为降低，生产成本也大大提高。因此，如何避免单晶空心叶片陶瓷型芯中纤细处断裂、提高叶片成品率是生产中急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，该方法采用表面包覆薄层二氧化硅或氧化铝的钼丝增强陶瓷型芯局部强度，钼丝在型芯中的位置采用钼丝两端的球头来固定，从而避免了陶瓷型芯纤细处断裂现象的产生，提高了单晶叶片的合格率，满足了复杂内腔结构单晶涡轮叶片制备高合格率的需求。
本发明具体提供了一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，其具体制备工艺为：
钼丝切成段，将钼丝段的两端进行处理，使钼丝两端形成球头，且球头外形尺寸大于钼丝直径；然后对整个钼丝段表面沉积陶瓷层，再将沉积陶瓷后的钼丝段放置在陶瓷型芯模具中陶瓷型芯易断裂部位固定；采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，然后将陶瓷型芯进行烧结制得所述陶瓷型芯。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述钼丝段的直径为0.08-0.16毫米，长度为4-20毫米，球头直径为0.1-0.4毫米。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝1放置在陶瓷型芯模具中的固定槽4内固定，所述固定槽4设置在陶瓷型芯易断裂部位，其一端设有固定头5，钼丝1一端的球头3放置在固定头5内。钼丝1放置在陶瓷型芯模具中时其位置由固定槽4和设于固定槽4上的固定头5固定，固定槽4的形状与陶瓷型芯易断裂部位相同，当陶瓷型芯烧结后，所述钼丝1在型芯中的位置由钼丝两端的球头3来锁定。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝段的球形两端采用电弧焊接或氩弧焊接。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝表面沉积的陶瓷成分为二氧化硅或氧化铝。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝表面采用CVD、PVD或溶胶-凝胶方法沉积陶瓷层。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片的制备方法，其特征在于：钼丝表面二氧化硅或氧化铝薄层的厚度为5-100微米。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：陶瓷浆料为二氧化硅基或氧化铝基，采用注射成型的方式成型，成型压力为0.4-0.8MPa，注射时间为20-120秒，保压时间为20-120秒。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在0.5-1℃/分钟，温度500℃-600℃，保温时间1-2小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1190℃-1250℃，保温时间3-6小时，然后炉冷至室温。
本发明所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：烧结后的陶瓷型芯需进行室温强化，将陶瓷型芯浸入低温强化剂中，浸泡时间30-60分钟，然后取出在空气中干燥。
采用本发明所述方法得到的复合陶瓷型芯制备空心叶片的方法如下：
叶片蜡模制备注射温度55-65℃，注射压力0.3-0.6MPa，注射时间10-20秒，保压时间10-20秒；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；复合陶瓷型芯中的钼丝采用氧化方法氧化脱除，氧化温度为800-1000℃，时间为1-3小时。
附图说明
图1陶瓷型芯结构示意图；
图2陶瓷型芯模具中钼丝的固定槽结构（其中4为固定槽，5为固定头）；
图3局部强化的复合陶瓷型芯结构示意图（其中1为钼丝，2为钼丝表面陶瓷涂层，3为钼丝球头）。
具体实施方式
实施例1
局部强化的复合陶瓷型芯的制备：
直径为0.08毫米的钼丝切成长度为5毫米的钼丝段，钼丝段的两端采用电弧焊接使钼丝两端变成直径为0.2毫米的球形，形成钼丝固定机构。然后采用CVD对钼丝段表面沉积二氧化硅，二氧化硅薄层的厚度为10微米；再将钼丝段放置在陶瓷型芯模具中固定槽处固定（见图2），采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，陶瓷浆料为二氧化硅基材料，成型压力为0.8MPa，注射时间为20秒，保压时间为20秒；复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在1℃/分钟，温度500℃，保温时间1小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1200℃，保温时间6小时，然后炉冷至室温，制备的陶瓷型芯结构见图3；烧结后的陶瓷型芯需进行室温强化，将陶瓷型芯浸入低温强化剂热固性酚醛树脂中，浸泡时间30分钟，然后取出在空气中干燥。
叶片蜡模制备：注射温度65℃，注射压力0.3MPa，注射时间20秒，保压时间20秒；选用硅溶胶及氧化铝粉制备型壳，涂料8层；采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为170℃，压力6个大气压，时间为10分钟。制备单晶叶片的工艺为：保温炉上区温度1500℃，下区1520℃，抽拉速率3㎜/分钟；陶瓷型芯采用KOH水溶液脱除，碱液温度为180℃，压力为3个大气压；复合陶瓷型芯中的钼丝采用氧化方法氧化脱除，氧化温度为1000℃，时间为3小时。
该实施例共制备了312片陶瓷型芯，陶瓷型芯成品率在90%以上，与现有未局部强化的陶瓷型芯相比，其型芯产品的合格率提高了2倍以上。利用该实施例中陶瓷型芯共生产单晶叶片287件，叶片不露芯率提高30%以上，叶片合格率提高20%以上。
实施例2
直径为0.1毫米的高纯度钼丝切成长度为10毫米的钼丝段，钼丝段的两端采用氩弧焊接使钼丝两端变成直径为0.25毫米的球形，形成固定机构。然后采用PVD对钼丝段表面沉积二氧化硅，二氧化硅薄层的厚度为20微米；再将其放置陶瓷型芯模具中固定，采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，陶瓷浆料为氧化铝基材料，成型压力为0.5MPa，注射时间为30秒，保压时间为30秒；复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在0.8℃/分钟，温度600℃，保温时间2小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1250℃，保温时间3小时，然后炉冷至室温；烧结后的陶瓷型芯需进行室温强化，将陶瓷型芯浸入尿素中，浸泡时间30分钟，然后取出在空气中干燥。
叶片蜡模制备：注射温度65℃，注射压力0.6MPa，注射时间20秒，保压时间10秒；选用硅溶胶及氧化铝粉制备型壳，涂料6层；采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为170℃，压力6个大气压，时间为10分钟；制备单晶叶片的工艺为：保温炉上区温度1480，下区1520℃，抽拉速率6㎜/分钟；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；复合陶瓷型芯中的钼丝采用氧化方法氧化脱除，氧化温度为1000℃，时间为2小时。
该实施例共制备189片单晶空心叶片，其陶瓷型芯不露芯率达79%以上，且采用的局部强化的复合陶瓷型芯与现有未局部强化的陶瓷型芯相比，其后续叶片产品的合格率提高了26%倍。
实施例3
直径为0.16毫米的高纯度钼丝切成长度为10毫米的钼丝段，钼丝段的两端采用氩弧焊接使钼丝两端变成直径为0.4毫米的球形，形成固定机构。然后采用溶胶-凝胶方法对钼丝段表面进行沉积氧化铝，氧化铝薄层的厚度为100微米；再将钼丝段放置在陶瓷型芯模具中固定，采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，陶瓷浆料为二氧化硅基，成型压力为0.8MPa，注射时间为120秒，保压时间为120秒；复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在1℃/分钟，温度600℃，保温时间2小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1190℃，保温时间6小时，然后炉冷至室温；烧结后的陶瓷型芯需进行室温强化，将陶瓷型芯浸入低温强化剂热固性酚醛树脂中，浸泡时间60分钟，然后取出在空气中干燥。
叶片蜡模制备：注射温度62℃，注射压力0.3MPa，注射时间15秒，保压时间20秒；选用硅溶胶及氧化铝粉制备型壳，涂料6层；采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为170℃，压力6个大气压，时间为20分钟；制备单晶叶片的工艺为：保温炉上区温度1500℃，下区1520℃，抽拉速率12㎜/分钟；陶瓷型芯采用KOH水溶液脱除，碱液温度为180℃，压力为3个大气压；复合陶瓷型芯中的钼丝采用氧化方法氧化脱除，氧化温度为800℃，时间为3小时。
该实施例共制备132片单晶空心叶片，其陶瓷型芯不露芯率达75%以上，且采用的局部强化的复合陶瓷型芯与现有未局部强化的陶瓷型芯相比，其后续叶片产品的合格率提高了31%倍以上。
实施例4
直径为0.08毫米的高纯度钼丝切成长度为10毫米的钼丝段，钼丝段的两端采用电弧焊接方法使钼丝两端变成直径为0.2毫米的球形，形成固定机构。然后采用CVD对钼丝段表面进行沉积氧化铝，氧化铝薄层的厚度为30微米；再将其放置陶瓷型芯模具中固定，采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯。陶瓷浆料为二氧化硅基材料，成型压力为0.8MPa，注射时间为20秒，保压时间为20秒；复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在1℃/分钟，温度600℃，保温2小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1250℃，保温时间3小时，然后炉冷至室温；将烧结后的陶瓷型芯浸入低温强化剂尿素中，浸泡30分钟，然后取出在空气中干燥。
叶片蜡模制备：注射温度65℃，注射压力0.6MPa，注射时间20秒，保压时间20秒；选用硅溶胶及氧化铝粉制备型壳，涂料6层；采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为160℃，压力6个大气压，时间为15分钟；制备单晶叶片的工艺为：保温炉上区温度1500℃，下区1520℃，抽拉速率6㎜/分钟；陶瓷型芯采用KOH水溶液脱除，碱液温度为180℃，压力4个大气压；复合陶瓷型芯中的钼丝采用氧化方法氧化脱除，氧化温度为1000℃，时间为1小时。
该实施例共制备146片单晶空心叶片，其陶瓷型芯不露芯率达70%以上，且采用的局部强化的复合陶瓷型芯与现有未局部强化的陶瓷型芯相比，其后续叶片产品的合格率提高了34%。
实施例5
局部强化的复合陶瓷型芯的制备：
直径为0.12毫米的钼丝切成长度为5毫米的钼丝段，钼丝段的两端采用电弧焊接使钼丝两端变成直径为0.2毫米的球形，形成钼丝固定机构。然后采用CVD对钼丝段表面沉积二氧化硅，二氧化硅薄层的厚度为10微米；再将钼丝段放置在陶瓷型芯模具中固定，采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，陶瓷浆料为二氧化硅基材料，成型压力为0.8MPa，注射时间为20秒，保压时间为20秒；复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在1℃/分钟，温度500℃，保温时间1小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1200℃，保温时间6小时，然后炉冷至室温；烧结后的陶瓷型芯需进行室温强化，将陶瓷型芯浸入低温强化剂热固性酚醛树脂中，浸泡时间30分钟，然后取出在空气中干燥。
叶片蜡模制备：注射温度65℃，注射压力0.3MPa，注射时间20秒，保压时间20秒；选用硅溶胶及氧化铝粉制备型壳，涂料8层；采用蒸汽法脱除蜡模，蒸汽温度为170℃，压力6个大气压，时间为10分钟。制备单晶叶片的工艺为：保温炉上区温度1500℃，下区1520℃，抽拉速率3㎜/分钟；陶瓷型芯采用KOH水溶液脱除，碱液温度为180℃，压力为3个大气压；复合陶瓷型芯中的钼丝采用氧化方法氧化脱除，氧化温度为1000℃，时间为3小时。
该实施例中共制备了103片单晶空心叶片用陶瓷型芯，其陶瓷型芯不露芯率达74%以上，且采用的局部强化的复合陶瓷型芯与现有未局部强化的陶瓷型芯相比，其后续叶片产品的合格率提高了30%。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，其具体制备工艺为：
钼丝切成段，将钼丝段的两端进行处理，使钼丝两端形成球头，且球头外形尺寸大于钼丝直径；然后对整个钼丝段表面沉积陶瓷层，再将沉积陶瓷后的钼丝段放置在陶瓷型芯模具中陶瓷型芯易断裂部位固定；采用注射成型方式制备陶瓷型芯素坯，然后将陶瓷型芯进行烧结制得所述陶瓷型芯。
2.按照权利要求1所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：所述钼丝段的直径为0.08-0.16毫米，长度为4-20毫米，球头直径为0.1-0.4毫米。
3.按照权利要求1或2所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝（1）放置在陶瓷型芯模具中的固定槽（4）内固定，所述固定槽（4）设置在陶瓷型芯易断裂部位，形状与陶瓷型芯易断裂部位相同，其一端设有固定头（5），钼丝（1）一端的球头（3）放置在固定头（5）内。
4.按照权利要求3所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝段的球形两端采用电弧焊接或氩弧焊接。
5.按照权利要求1所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝表面沉积的陶瓷成分为二氧化硅或氧化铝。
6.按照权利要求1或5所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：钼丝表面采用CVD、PVD或溶胶-凝胶方法沉积陶瓷层。
7.按照权利要求5所述复杂结构单晶空心叶片的制备方法，其特征在于：钼丝表面二氧化硅或氧化铝薄层的厚度为5-100微米。
8.按照权利要求1所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：陶瓷浆料为二氧化硅基或氧化铝基，采用注射成型的方式成型，成型压力为0.4-0.8MPa，注射时间为20-120秒，保压时间为20-120秒。
9.按照权利要求1所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，复合型芯的烧结工艺为：陶瓷型芯脱蜡阶段采用低温缓慢升温烧结，升温速率控制在0.5-1℃/分钟，温度500℃-600℃，保温时间1-2小时；终烧结阶段采用高温烧结，烧结温度在1190℃-1250℃，保温时间3-6小时，然后炉冷至室温。
10.按照权利要求1或9所述复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法，其特征在于：烧结后的陶瓷型芯需进行室温强化，将陶瓷型芯浸入低温强化剂中，浸泡时间30-60分钟，然后取出在空气中干燥。
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