CN104907492B - 一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，属于快速铸造技术领域。该方法首先设计制备含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，其中和双层壁冷却通道对应的树脂外壁与树脂原型分开制备。其次，基于模压成型工艺制备双层壁冷却通道的陶瓷型芯，将陶瓷型芯镶嵌在树脂原型中，再将树脂原型分别与其外壁和树脂外壳相装配，制得含有陶瓷型芯的树脂负型。然后，基于凝胶注模工艺制备含有陶瓷型芯的陶瓷铸型坯体，经冷冻干燥、脱脂预烧和后处理制得陶瓷铸型。最后，基于铸造工艺制备涡轮叶片，再以激光或电火花加工出气膜孔，制得含有冷却通道、气膜孔和冲击孔的叶片铸件。本发明主要用于制造含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片。

Description

一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法

技术领域

本发明属于快速铸造技术领域，具体涉及一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法。

背景技术

涡轮叶片是动力设备的关键部件，由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件。目前涡轮叶片的主要制造工艺是熔模铸造，其工艺流程主要包括型芯模具的设计与制造、压制型芯、蜡模模具的设计与制造、装配注蜡、涂浆制壳、干燥型壳、脱蜡、烧结、浇注金属、脱芯、打孔等环节。此方法不足之处是难以实现内腔结构空间交错的空心叶片的制造。随着叶片结构设计日趋复杂，传统的叶片制造方法受制造技术的制约，已难以满足新型叶片的制造要求。

为解决叶片承温能力差和热强度低的问题，近几年国外采用了发汗冷却和层板冷却技术，进一步提高了冷却效率；但是如何高质量低成本地制造出用于发汗冷却的双层壁已成为制约这种冷却技术的一个主要因素。目前的发汗冷却叶片对壁厚和气流道的要求在0.5mm数量级，因此在制造技术上就要完成多尺度的结构制造(叶片的外形和微小的流道结构)，这给制造技术提出了巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，该方法基于光固化快速成型工艺、凝胶注模工艺和模压成型工艺，设计合理，所用模具简单，制得的叶片成型精度高，孔结构缺陷少。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：

1)采用三维造型软件，设计出含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，将叶片原型的叶盆和叶背上与双层壁的冷却通道对应的外壁从叶片原型中拆分出来，再以STL格式导入光固化成型机中，分别制得含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型、拆分出的树脂外壁以及用于形成陶瓷型壳外壁面的树脂外壳；

2)制备用于制作陶瓷型芯的陶瓷浆料，将该陶瓷型芯的陶瓷浆料依次经球磨、烘干、过筛及闷料处理，然后进行模压成型，制得含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯；

3)将步骤2)制得的陶瓷型芯镶嵌在含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型中，再和拆分出的树脂外壁相装配；然后将树脂外壳与树脂原型的榫根部分相装配，制得含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型；

4)制备用于制作陶瓷铸型的陶瓷浆料，将其灌注入步骤3)制得的树脂负型中，待该陶瓷铸型的陶瓷浆料原位固化后形成陶瓷铸型坯体，再依次经冷冻干燥、脱脂预烧、浸渍和终烧，制得含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型；

5)将制备的陶瓷铸型预热后，向其中浇注熔融的金属液，待熔融的金属液凝固成型后，清除陶瓷铸型，并在叶片铸件表面加工出气膜孔，制得含有冷却通道、气膜孔和冲击孔的面向双层壁空心涡轮叶片。

步骤2)中用于制作陶瓷型芯的陶瓷浆料是在去离子水中加入陶瓷粉末、增塑剂、润滑剂及烧结助剂后，将其球磨并烘干，在干燥的坯料中加入粘合剂后混合均匀后制成；

其中，所述陶瓷粉末为粒径1～2μm的α氧化铝或氧化硅；增塑剂为聚丙烯，用量为陶瓷粉末质量的5～8％；润滑剂是硬脂酸，用量为陶瓷粉末质量的1～2％；烧结助剂由氧化镁和二氧化硅组成，二者分别为陶瓷粉末质量的3～4％和4～5％；粘合剂是质量浓度为8％的聚乙烯醇溶液，用量为坯料质量的3～5％。

步骤2)中陶瓷浆料球磨后是在150℃下烘干，过筛时所用金属筛为40目，闷料处理时间为10h，然后在50MPa压力下模压成型并保压3～5min。

步骤2)中制得陶瓷型芯后，还包括用砂纸将其外表面打磨光滑的操作；步骤3)中将树脂外壳与树脂原型的榫根部分相装配之前还包括在叶片原型的叶盆和叶背上存在配合间隙的地方涂抹一层蜡并打磨平整的操作。

步骤4)中用于制作陶瓷铸型的陶瓷浆料是在去离子水中加入有机单体、交联剂、分散剂混合均匀得到预混液，再向预混液中加入陶瓷粉末，经球磨后制成，且在陶瓷浆料灌注前加入引发剂和催化剂并混合均匀，在真空环境下振动并搅拌陶瓷浆料；

其中，所述有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N,N′—亚甲基双丙烯酰胺，二者以质量比为(20～25)∶1配成有机凝胶，用量为预混液质量的10～20％；分散剂为质量浓度18％的聚丙烯酸钠，用量为预混液质量的5～8％；

所述陶瓷粉末为粒径2～100μm的α氧化铝或氧化硅，其固相体积分数为陶瓷浆料的55～60％；引发剂是由四甲基乙二胺和去离子水按1∶3的质量比配制而成，用量为预混液质量的4.5～5.0％；催化剂是由过硫酸铵和去离子水按3∶7的质量比配制而成，用量为预混液质量的0.8～1.2％。

所述球磨速率为60～100r/min，球磨时间为1～3h，真空环境下的真空度为2000Pa，振动频率为30～50Hz。

步骤4)中冷冻干燥是先在-60℃下冷冻，再在1～30Pa的条件下真空干燥；

脱脂预烧采取先慢后快的梯度加热方式，自室温以20～30℃/h升温至300～400℃，保温0.5～1h，再以50～100℃/h升温至600～750℃，保温1～2h，最后以100～150℃/h升温至900～1000℃，保温2h后随炉冷却；

浸渍是在真空中将脱脂预烧后的陶瓷铸型浸入强化液中处理后再将其放入干燥箱烘干；所述强化液为氯化镁，硅溶胶或硅酸乙酯；

终烧采取先慢后快的梯度加热方式，自室温以20～30℃/h升温至300～400℃，保温0.5～1h，再以50～100℃/h升温至600～750℃，保温1～2h，最后以200～250℃/h升温至1250～1300℃，保温3～5h后随炉冷却。

所述含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片内部至少有一个主冷却通道和多个双层壁冷却通道，主冷却通道和双层壁冷却通道之间有若干个直径不大于0.5mm的冲击孔。

含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型和拆分出的树脂外壁的分界在双层壁冷却通道的中间线上，二者表面上均设有能够与陶瓷型芯相配合的凹槽。

步骤1)制得的含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型、拆分出的树脂外壁以及用于形成陶瓷型壳外壁面的树脂外壳，这三部分构成双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，该树脂负型能够以加热分解或化学腐蚀法去除；

树脂负型的采用光敏树脂制成，该光敏材料在30℃下的粘度为240cps，密度1.2g/cm³，固化时间5～20h，光固化后拉伸强度45MPa，弹性模量2500MPa，邵氏硬度D为80。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，主要解决了传统铸造过程中双层壁冷却通道和冲击孔难以成型以及成型质量差的问题。该方法首先设计制备含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，和双层壁冷却通道对应的树脂外壁与树脂原型分开制备；其次，基于模压成型工艺制备双层壁冷却通道的陶瓷型芯，将陶瓷型芯镶嵌在树脂原型中，再将树脂原型分别与其外壁和树脂外壳相装配，制得含有陶瓷型芯的树脂负型，模压成型工艺使用的模具简单、尺寸精度高，适用于尺寸不大的管状、块状和片状零件的制造；再次，基于凝胶注模工艺制备含有陶瓷型芯的陶瓷铸型坯体，经冷冻干燥、脱脂预烧和后处理制得陶瓷铸型；最后，基于铸造工艺制备涡轮叶片，再加工出气膜孔，制得含有冷却通道、气膜孔和冲击孔的叶片铸件。该方法基于光固化快速成型工艺、凝胶注模工艺和模压成型工艺，制备了含有陶瓷型芯的陶瓷铸型，仅依靠陶瓷型芯即可保证双层壁冷却通道和冲击孔的外形轮廓和尺寸，简化了工艺过程，提高了铸型制造的效率，叶片成型精度较高，孔结构缺陷少。

附图说明

图1是双层壁空心涡轮叶片的树脂原型结构示意图；

其中，1为冲击孔，2为双层壁冷却通道，3为叶身，4为榫根；

图2是含冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯结构示意图；

图3是双层壁空心涡轮叶片的树脂外壁结构示意图；

图4是含陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型结构示意图；

其中，5为浇冒口，6为叶盆树脂外壁，7为陶瓷型芯，8为主冷却通道，9为叶背树脂外壁，10为树脂外壳；

图5是双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型结构示意图；

其中，11为陶瓷型壳，12为陶瓷型芯；

图6是双层壁空心涡轮叶片铸件结构示意图；

其中，13为气膜孔，14为双层壁冷却通道，15为冲击孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明采取如下的技术解决方案：

1)基于三维造型软件中设计出含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，其中将叶盆和叶背上与双层壁冷却通道对应的外壁从叶片原型中拆分出来，再将该模型以STL格式导出至光固化成型机中，分别制得含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型和从其中拆分出来的树脂外壁，以及用以形成陶瓷型壳外壁面的树脂外壳，这三部分构成了双层壁空心涡轮叶片的树脂负型；

2)在去离子水中加入陶瓷粉末、增塑剂、润滑剂和烧结助剂制成陶瓷浆料，将其球磨后烘干，在干燥的坯料中加入粘合剂并混合均匀，再将其过筛，闷料一段时间。然后将闷过的坯料注入模压机的模具中进行模压成型，制得含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯，并用砂纸将其打磨，使其外表面光滑平整；

3)先将制备的陶瓷型芯镶嵌在双层壁空心涡轮叶片的树脂原型中，再将树脂原型和与之对应的的树脂外壁相装配。然后在树脂原型的叶盆和叶背上存在微量配合间隙的地方涂一层蜡并打磨平整，再将树脂外壳与树脂原型的榫根部分相装配，制得含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型；

4)在去离子水中加入有机单体、交联剂、分散剂混合均匀制成预混液。向预混液中加入陶瓷粉末，经球磨后制成陶瓷浆料，在浆料灌注前加入引发剂和催化剂并混合均匀。在真空环境下振动并搅拌陶瓷浆料，将其灌注入步骤3制备的树脂负型中，待陶瓷浆料原位固化后形成陶瓷铸型坯体，再依次经冷冻干燥、脱脂预烧、浸渍和终烧，制得含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型；

5)将制备的陶瓷铸型预热后，向其中浇注熔融的高温金属液(一般为镍/钴基高温合金，熔化温度高于其熔点即可)，待金属液凝固成型后，清除陶瓷铸型，并用激光或电火花在叶片铸件表面加工出气膜孔，制得含有冷却通道、气膜孔和冲击孔的双层壁空心涡轮叶片精密铸件。

实施例1

一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：

1)制造双层壁空心涡轮叶片的树脂负型

参见图1，该图表示带有榫根的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型部分，图中，1为冲击孔，2为双层壁冷却通道，3为叶身，4为榫根。参见图3，该图表示与树脂原型相配合的树脂外壁。

首先，基于三维软件设计出双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，该负型由包含冲击孔的树脂原型，与双层壁冷却通道相对应的树脂外壁，以及树脂外壳三部分组成。将该负型模型通过分层软件进行离散化生成二维切片，得到模型每一层的具体数据，再将数据以STL格式导入光固化成型机中，通过激光照射使光敏树脂固化成型，分别制造出双层壁空心涡轮叶片的树脂负型的各个部分。制造完毕后用酒精清除其表面多余的液态树脂，得到的树脂负型精度高，表面质量好，有一定的强度刚度。

其中，光敏树脂在30℃下的粘度为240cps，密度1.2g/cm³，固化时间5～20h，光固化后拉伸强度45MPa，弹性模量2500MPa，邵氏硬度为D约80。叶片的树脂原型和从其中拆分出的外壁部分的分界在双层壁冷却通道的中间线上，两者的表面上都有相应的凹槽以便于和陶瓷型芯配合。冲击孔的直径为0.5mm。

2)配置型芯的陶瓷坯料并制备陶瓷型芯

参见图2，该图表示双层壁冷却通道型芯和冲击孔型芯一体化结构的陶瓷型芯，其中双层壁冷却通道型芯和冲击孔型芯应适当长一些以便于和凝胶注模陶瓷坯体形成一个整体。

先在去离子水中加入陶瓷粉末，再加入增塑剂、润滑剂和烧结助剂搅拌均匀后制成陶瓷浆料，将其放入行星式球磨机进行球磨，使其完全混合均匀，将球磨后的浆料放入干燥箱烘干而得到陶瓷坯料。然后向坯料中加入粘合剂，混合均匀后过筛，再闷料一段时间。将闷过的坯料注入模压机的模具中进行模压成型，得到含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯，并用砂纸将其打磨，使其外表面光滑平整。

其中，制备型芯的陶瓷粉末为α氧化铝等，其粒径为1～2μm，增塑剂是聚丙烯，占粉末质量的5％，润滑剂是硬脂酸，占粉末质量的1％，烧结助剂由氧化镁和二氧化硅组成，两者分别占粉末质量的3％和4％，粘合剂是质量浓度为8％的聚乙烯醇溶液，占坯料质量的3％。

干燥箱的烘干温度为150℃，闷料时间为10h，坯料过筛时用的金属筛为40目。在50MPa压力下模压成型并保压3～5min以确保坯料高度致密化。

3)装配含有陶瓷型芯的叶片树脂负型

参见图4，该图表示含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，图中，5为浇冒口，6为叶盆树脂外壁，7为陶瓷型芯，8为主冷却通道，9为叶背树脂外壁，10为树脂外壳。

先将陶瓷型芯镶嵌在双层壁空心涡轮叶片的树脂原型中，即冲击孔型芯与冲击孔相配合，双层壁冷却通道型芯与树脂原型表面上对应的凹槽相配合。再将树脂原型和与其对应的树脂外壁相装配，树脂外壁分为叶盆外壁和叶背外壁两个独立的部分，其上的凹槽分别在叶盆和叶背上与陶瓷型芯相配合。然后在叶盆和叶背上存在微量配合间隙的地方涂一层蜡并打磨平整，最后将陶瓷外壳与树脂原型的榫根部分相装配，就得到含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型。

4)配置叶片铸型的陶瓷浆料并制备陶瓷铸型

参见图5，该图表示含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型，图中，11为陶瓷型壳，12为陶瓷型芯；。

首先在去离子水中加入有机单体，搅拌使其充分溶解，再依次加入交联剂、分散剂搅拌使其混合均匀，制成预混液。然后加入陶瓷粉末并混合均匀，制成陶瓷浆料，加入料球并球磨，再将其放入真空振动注型机中在真空环境下振动除去浆料中的气泡。灌注前加入催化剂和引发剂。

在真空和振动条件下，把加入催化剂和引发剂的陶瓷浆料从树脂负型的浇冒口灌入，陶瓷浆料填充树脂负型的型腔，并复制出叶片树脂原型的内外结构。待陶瓷浆料原位固化后，用切割工具除去树脂负型的浇注系统和外围结构，将陶瓷铸型坯体放入一体式冷冻干燥箱中，先冷冻后干燥，依据坯体大小来控制时间，一般24～96h。再用箱式电阻加热炉脱脂预烧，然后用压缩空气吹净陶瓷铸型坯体内有机物热解后的残留灰份。随后浸渍陶瓷铸型坯体，浸渍0.5～1h后，放入60℃的烘箱烘烤2h，再将其放入箱式电阻加热炉进行终烧，得到双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型。

其中，预混液中的有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N,N′—亚甲基双丙烯酰胺，两者以质量比为20∶1配成有机凝胶，占预混液质量的10％，分散剂是浓度为18％的聚丙烯酸钠，占预混液质量的5％。制备铸型的陶瓷粉末为α氧化铝等，其粒径为2～100μm，固相质量分数为55％。引发剂为四甲基乙二胺和去离子水按1∶3的质量比配制而成，用量为预混液质量的4.8％；催化剂为过硫酸铵和去离子水按3∶7的质量比配制而成，用量为预混液质量的1.0％。

球磨速率为60r/min，球磨时间为3h，灌注时真空环境下的真空度为2000Pa，振动频率为30Hz。冷冻干燥指-60℃、8Pa的条件下先冷冻再真空干燥。

脱脂预烧是指自室温以20℃/h升温至300℃，保温0.5～1h，接着以50℃/h升温至600℃，保温1～2h，脱脂以100℃/h升温至900℃，保温2h后随炉冷却。

浸渍是指在真空中将陶瓷铸型浸入强化液中，强化液可以是氯化镁，硅溶胶，硅酸乙酯等，再将其放入干燥箱烘干。

终烧是指自室温以20℃/h升温至300℃，保温0.5～1h，接着以50℃/h升温至600℃，保温1～2h，然后以200℃/h升温至1250℃，保温5h后都随炉冷却。

5)制备双层壁空心涡轮叶片

参见图6，该图表示含有冲击孔和气膜孔的双层壁空心涡轮叶片铸件，图中，13为气膜孔，14为双层壁冷却通道，15为冲击孔。

将制备的陶瓷铸型预热后，往铸型的型腔中浇注高温金属液，待金属冷凝成型后，清除陶瓷铸型，并用激光或电火花在叶片铸件的表面加工出气膜孔，就得到包含冷却通道、气膜孔和冲击孔结构的双层壁空心涡轮叶片精密铸件。

其中，将陶瓷铸型预热到1500℃，保温1h后浇注金属液，在脱芯时，采用机械或化学腐蚀的方法除去型芯。

实施例2

一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：

1)制造双层壁空心涡轮叶片的树脂负型

首先，基于三维软件设计出双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，该负型由包含冲击孔的树脂原型，与双层壁冷却通道相对应的树脂外壁，以及树脂外壳三部分组成。将该负型模型通过分层软件进行离散化生成二维切片，得到模型每一层的具体数据，再将数据以STL格式导入光固化成型机中，通过激光照射使光敏树脂固化成型，分别制造出双层壁空心涡轮叶片的树脂负型的各个部分。制造完毕后用酒精清除其表面多余的液态树脂，得到的树脂负型精度高，表面质量好，有一定的强度刚度。

其中，光敏树脂在30℃下的粘度为240cps，密度1.2g/cm3，固化时间5～20h，光固化后拉伸强度45MPa，弹性模量2500MPa，邵氏硬度为D约80。叶片的树脂原型和从其中拆分出的外壁部分的分界在双层壁冷却通道的中间线上，两者的表面上都有相应的凹槽以便于和陶瓷型芯配合。冲击孔的直径为0.5mm。

2)配置型芯的陶瓷坯料并制备陶瓷型芯

先在去离子水中加入陶瓷粉末，再加入增塑剂、润滑剂和烧结助剂搅拌均匀后制成陶瓷浆料，将其放入行星式球磨机进行球磨，使其完全混合均匀，将球磨后的浆料放入干燥箱烘干而得到陶瓷坯料。然后向坯料中加入粘合剂，混合均匀后过筛，再闷料一段时间。将闷过的坯料注入模压机的模具中进行模压成型，得到含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯，并用砂纸将其打磨，使其外表面光滑平整。

其中，制备型芯的陶瓷粉末为α氧化铝等，其粒径为1～2μm，增塑剂是聚丙烯，占粉末质量的8％，润滑剂是硬脂酸，占粉末质量的2％，烧结助剂由氧化镁和二氧化硅组成，两者分别占粉末质量的4％和5％，粘合剂是浓度为8％的聚乙烯醇溶液，占坯料质量的5％。干燥箱的烘干温度为150℃，闷料时间为10h，坯料过筛时用的金属筛为40目。在50MPa压力下模压成型并保压3～5min以确保坯料高度致密化。

3)装配含有陶瓷型芯的叶片树脂负型

先将陶瓷型芯镶嵌在双层壁空心涡轮叶片的树脂原型中，即冲击孔型芯与冲击孔相配合，双层壁冷却通道型芯与树脂原型表面上对应的凹槽相配合。再将树脂原型和与其对应的树脂外壁相装配，树脂外壁分为叶盆外壁和叶背外壁两个独立的部分，其上的凹槽分别在叶盆和叶背上与陶瓷型芯相配合。然后在叶盆和叶背上存在微量配合间隙的地方涂一层蜡并打磨平整，最后将陶瓷外壳与树脂原型的榫根部分相装配，就得到含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型。

4)配置叶片铸型的陶瓷浆料并制备陶瓷铸型

首先在去离子水中加入有机单体，搅拌使其充分溶解，再依次加入交联剂、分散剂搅拌使其混合均匀，制成预混液；

然后加入陶瓷粉末并混合均匀，制成陶瓷浆料，加入料球并球磨，再将其放入真空振动注型机中在真空环境下振动除去浆料中的气泡。

灌注前加入催化剂和引发剂。在真空和振动条件下，把加入催化剂和引发剂的陶瓷浆料从树脂负型的浇冒口灌入，陶瓷浆料填充树脂负型的型腔，并复制出叶片树脂原型的内外结构。待陶瓷浆料原位固化后，用切割工具除去树脂负型的浇注系统和外围结构，将陶瓷铸型坯体放入一体式冷冻干燥箱中，先冷冻后干燥，依据坯体大小来控制时间，一般24～96h。再用箱式电阻加热炉脱脂预烧，然后用压缩空气吹净陶瓷铸型坯体内有机物热解后的残留灰份。随后浸渍陶瓷铸型坯体，浸渍0.5～1h后，放入60℃的烘箱烘烤2h，再将其放入箱式电阻加热炉进行终烧，得到双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型。

其中，预混液中的有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N,N′—亚甲基双丙烯酰胺，两者以质量比为25∶1配成有机凝胶，占预混液质量的20％，分散剂是浓度为18％的聚丙烯酸钠，占预混液质量的8％。制备铸型的陶瓷粉末为α氧化铝等，其粒径为2～100μm，固相质量分数为60％。引发剂为四甲基乙二胺和去离子水按1∶3的质量比配制而成，用量为预混液质量的4.5％；催化剂为过硫酸铵和去离子水按3∶7的质量比配制而成，用量为预混液质量的0.8％。球磨速率为100r/min,，球磨时间为1h，灌注时真空环境下的真空度为2000Pa，振动频率为50Hz。冷冻干燥指-60℃、30Pa的条件下先冷冻再真空干燥。

脱脂预烧是指自室温以30℃/h升温至400℃，保温0.5～1h，接着以100℃/h升温至750℃，保温1～2h，脱脂以150℃/h升温至1000℃，保温2h后随炉冷却。

浸渍是指在真空中将陶瓷铸型浸入强化液中，强化液可以是氯化镁，硅溶胶，硅酸乙酯等，再将其放入干燥箱烘干。

终烧是指自室温以30℃/h升温至400℃，保温0.5～1h，接着以100℃/h升温至750℃，保温1～2h，然后以250℃/h升温至1300℃，保温3h后都随炉冷却。

5)制备双层壁空心涡轮叶片

将制备的陶瓷铸型预热后，往铸型的型腔中浇注高温金属液，待金属冷凝成型后，清除陶瓷铸型，并用激光或电火花在叶片铸件的表面加工出气膜孔，就得到包含冷却通道、气膜孔和冲击孔结构的双层壁空心涡轮叶片精密铸件。

其中，将陶瓷铸型预热到1500℃，保温1h后浇注金属液，在脱芯时，采用机械或化学腐蚀的方法除去型芯。

实施例3

一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，包括以下步骤：

1)制造双层壁空心涡轮叶片的树脂负型

首先基于三维软件设计出双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，该负型由包含冲击孔的树脂原型，与双层壁冷却通道相对应的树脂外壁，以及树脂外壳三部分组成。将该负型模型通过分层软件进行离散化生成二维切片，得到模型每一层的具体数据，再将数据以STL格式导入光固化成型机中，通过激光照射使光敏树脂固化成型，分别制造出双层壁空心涡轮叶片的树脂负型的各个部分。制造完毕后用酒精清除其表面多余的液态树脂，得到的树脂负型精度高，表面质量好，有一定的强度刚度。

其中，光敏树脂在30℃下的粘度为240cps，密度1.2g/cm3，固化时间5～20h，光固化后拉伸强度45MPa，弹性模量2500MPa，邵氏硬度为D约80。叶片的树脂原型和从其中拆分出的外壁部分的分界在双层壁冷却通道的中间线上，两者的表面上都有相应的凹槽以便于和陶瓷型芯配合。冲击孔的直径为0.5mm。

2)配置型芯的陶瓷坯料并制备陶瓷型芯

先在去离子水中加入陶瓷粉末，再加入增塑剂、润滑剂和烧结助剂搅拌均匀后制成陶瓷浆料，将其放入行星式球磨机进行球磨，使其完全混合均匀，将球磨后的浆料放入干燥箱烘干而得到陶瓷坯料。然后向坯料中加入粘合剂，混合均匀后过筛，再闷料一段时间。将闷过的坯料注入模压机的模具中进行模压成型，得到含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯，并用砂纸将其打磨，使其外表面光滑平整。

其中，制备型芯的陶瓷粉末为α氧化铝等，其粒径为1～2μm，增塑剂是聚丙烯，占粉末质量的6％，润滑剂是硬脂酸，占粉末质量的1～2％，烧结助剂由氧化镁和二氧化硅组成，两者分别占粉末质量的3～4％和4～5％，粘合剂是浓度为8％的聚乙烯醇溶液，占坯料质量的3～5％。干燥箱的烘干温度为150℃，闷料时间为10h，坯料过筛时用的金属筛为40目。在50MPa压力下模压成型并保压3～5min以确保坯料高度致密化。

3)装配含有陶瓷型芯的叶片树脂负型

先将陶瓷型芯镶嵌在双层壁空心涡轮叶片的树脂原型中，即冲击孔型芯与冲击孔相配合，双层壁冷却通道型芯与树脂原型表面上对应的凹槽相配合。再将树脂原型和与其对应的树脂外壁相装配，树脂外壁分为叶盆外壁和叶背外壁两个独立的部分，其上的凹槽分别在叶盆和叶背上与陶瓷型芯相配合。然后在叶盆和叶背上存在微量配合间隙的地方涂一层蜡并打磨平整，最后将陶瓷外壳与树脂原型的榫根部分相装配，就得到含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型。

4)配置叶片铸型的陶瓷浆料并制备陶瓷铸型

首先在去离子水中加入有机单体，搅拌使其充分溶解，再依次加入交联剂、分散剂搅拌使其混合均匀，制成预混液。然后加入陶瓷粉末并混合均匀，制成陶瓷浆料，加入料球并球磨，再将其放入真空振动注型机中在真空环境下振动除去浆料中的气泡。灌注前加入催化剂和引发剂。

在真空和振动条件下，把加入催化剂和引发剂的陶瓷浆料从树脂负型的浇冒口灌入，陶瓷浆料填充树脂负型的型腔，并复制出叶片树脂原型的内外结构。待陶瓷浆料原位固化后，用切割工具除去树脂负型的浇注系统和外围结构，将陶瓷铸型坯体放入一体式冷冻干燥箱中，先冷冻后干燥，依据坯体大小来控制时间，一般24～96h。再用箱式电阻加热炉脱脂预烧，然后用压缩空气吹净陶瓷铸型坯体内有机物热解后的残留灰份。随后浸渍陶瓷铸型坯体，浸渍0.5～1h后，放入60℃的烘箱烘烤2h，再将其放入箱式电阻加热炉进行终烧，得到双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型。

其中，预混液中的有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N,N′—亚甲基双丙烯酰胺，两者以质量比为22∶1配成有机凝胶，占预混液质量的15％，分散剂是浓度为18％的聚丙烯酸钠，占预混液质量的6％。制备铸型的陶瓷粉末为α氧化铝等，其粒径为2～100μm，固相质量分数为57％。引发剂为四甲基乙二胺和去离子水按1∶3的质量比配制而成，用量为预混液质量的5.0％；催化剂为过硫酸铵和去离子水按3∶7的质量比配制而成，用量为预混液质量的1.2％。

球磨速率为80r/min，球磨时间为2h，灌注时真空环境下的真空度为2000Pa，振动频率为45Hz。

冷冻干燥指-60℃、16Pa的条件下先冷冻再真空干燥。

脱脂预烧是指自室温以25℃/h升温至350℃，保温0.5～1h，接着以80℃/h升温至700℃，保温1～2h，脱脂以120℃/h升温至950℃，保温2h后随炉冷却。

浸渍是指在真空中将陶瓷铸型浸入强化液中，强化液可以是氯化镁，硅溶胶，硅酸乙酯等，再将其放入干燥箱烘干。

终烧是指自室温以25℃/h升温至350℃，保温0.5～1h，接着以70℃/h升温至700℃，保温1～2h，然后以230℃/h升温至1280℃，保温3～5h后都随炉冷却。

5)制备双层壁空心涡轮叶片

将制备的陶瓷铸型预热后，往铸型的型腔中浇注高温金属液，待金属冷凝成型后，清除陶瓷铸型，并用激光或电火花在叶片铸件的表面加工出气膜孔，就得到包含冷却通道、气膜孔和冲击孔结构的双层壁空心涡轮叶片精密铸件。

其中，将陶瓷铸型预热到1500℃，保温1h后浇注金属液，在脱芯时，采用机械或化学腐蚀的方法除去型芯。

综上所述，本方法提出基于模压成型工艺来制备含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯，此工艺的优点是模具简单、尺寸精度高，适用于尺寸不大的管状、块状和片状零件的制造。通过陶瓷型芯与树脂模具上的冲击孔和凹槽相配合，就可以实现陶瓷型芯的准确定位，然后仅依靠陶瓷型芯即可保证双层壁冷却通道和冲击孔的外形轮廓和尺寸，简化工艺过程，提高铸型制造的效率。对于具有空间交错特点的冷却通道，则采用凝胶注模技术和型芯镶嵌技术，它的特点是双层壁，叶身上的细孔完全由组合的陶瓷型芯形成，叶片成型精度较高，孔结构缺陷少。本发明主要解决了传统铸造过程中双层壁冷却通道和冲击孔难以成型以及成型质量差的问题，但也适用于型芯的其他细微结构特征。

Claims (10)

1.一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用三维造型软件，设计出含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，将叶片原型的叶盆和叶背上与双层壁的冷却通道对应的外壁从叶片原型中拆分出来，再以STL格式导入光固化成型机中，分别制得含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型、拆分出的树脂外壁以及用于形成陶瓷型壳外壁面的树脂外壳；

2)制备用于制作陶瓷型芯的陶瓷浆料，将该陶瓷型芯的陶瓷浆料依次经球磨、烘干、过筛及闷料处理，然后进行模压成型，制得含有冲击孔型芯的双层壁冷却通道的陶瓷型芯；

3)将步骤2)制得的陶瓷型芯镶嵌在含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型中，再和拆分出的树脂外壁相装配；然后将树脂外壳与树脂原型的榫根部分相装配，制得含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的树脂负型；

4)制备用于制作陶瓷铸型的陶瓷浆料，将其灌注入步骤3)制得的树脂负型中，待该陶瓷铸型的陶瓷浆料原位固化后形成陶瓷铸型坯体，再依次经冷冻干燥、脱脂预烧、浸渍和终烧，制得含有陶瓷型芯的双层壁空心涡轮叶片的陶瓷铸型；

5)将制备的陶瓷铸型预热后，向其中浇注熔融的金属液，待熔融的金属液凝固成型后，清除陶瓷铸型，并在叶片铸件表面加工出气膜孔，制得含有冷却通道、气膜孔和冲击孔的面向双层壁空心涡轮叶片。

2.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤2)中用于制作陶瓷型芯的陶瓷浆料是在去离子水中加入陶瓷粉末、增塑剂、润滑剂及烧结助剂后，将其球磨并烘干，在干燥的坯料中加入粘合剂后混合均匀后制成；

其中，所述陶瓷粉末为粒径1～2μm的α氧化铝或氧化硅；增塑剂为聚丙烯，用量为陶瓷粉末质量的5～8％；润滑剂是硬脂酸，用量为陶瓷粉末质量的1～2％；烧结助剂由氧化镁和二氧化硅组成，二者分别为陶瓷粉末质量的3～4％和4～5％；粘合剂是质量浓度为8％的聚乙烯醇溶液，用量为坯料质量的3～5％。

3.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤2)中陶瓷浆料球磨后是在150℃下烘干，过筛时所用金属筛为40目，闷料处理时间为10h，然后在50MPa压力下模压成型并保压3～5min。

4.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤2)中制得陶瓷型芯后，还包括用砂纸将其外表面打磨光滑的操作；步骤3)中将树脂外壳与树脂原型的榫根部分相装配之前还包括在叶片原型的叶盆和叶背上存在配合间隙的地方涂抹一层蜡并打磨平整的操作。

5.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤4)中用于制作陶瓷铸型的陶瓷浆料是在去离子水中加入有机单体、交联剂、分散剂混合均匀得到预混液，再向预混液中加入陶瓷粉末，经球磨后制成，且在陶瓷浆料灌注前加入引发剂和催化剂并混合均匀，在真空环境下振动并搅拌陶瓷浆料；

其中，所述有机单体为丙烯酰胺，交联剂为N,N′—亚甲基双丙烯酰胺，二者以质量比为(20～25)∶1配成有机凝胶，用量为预混液质量的10～20％；分散剂为质量浓度18％的聚丙烯酸钠，用量为预混液质量的5～8％；

所述陶瓷粉末为粒径2～100μm的α氧化铝或氧化硅，其固相体积分数为陶瓷浆料的55～60％；引发剂是由四甲基乙二胺和去离子水按1∶3的质量比配制而成，用量为预混液质量的4.5～5.0％；催化剂是由过硫酸铵和去离子水按3∶7的质量比配制而成，用量为预混液质量的0.8～1.2％。

6.根据权利要求5所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤4)所述球磨速率为60～100r/min，球磨时间为1～3h，真空环境下的真空度为2000Pa，振动频率为30～50Hz。

7.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤4)中冷冻干燥是先在-60℃下冷冻，再在1～30Pa的条件下真空干燥；

脱脂预烧采取先慢后快的梯度加热方式，自室温以20～30℃/h升温至300～400℃，保温0.5～1h，再以50～100℃/h升温至600～750℃，保温1～2h，最后以100～150℃/h升温至900～1000℃，保温2h后随炉冷却；

浸渍是在真空中将脱脂预烧后的陶瓷铸型浸入强化液中处理后再将其放入干燥箱烘干；所述强化液为氯化镁，硅溶胶或硅酸乙酯；

终烧采取先慢后快的梯度加热方式，自室温以20～30℃/h升温至300～400℃，保温0.5～1h，再以50～100℃/h升温至600～750℃，保温1～2h，最后以200～250℃/h升温至1250～1300℃，保温3～5h后随炉冷却。

8.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，所述含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片内部至少有一个主冷却通道和多个双层壁冷却通道，主冷却通道和双层壁冷却通道之间有若干个直径不大于0.5mm的冲击孔。

9.根据权利要求8所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型和拆分出的树脂外壁的分界在双层壁冷却通道的中间线上，二者表面上均设有能够与陶瓷型芯相配合的凹槽。

10.根据权利要求1所述的一种面向双层壁空心涡轮叶片的制造方法，其特征在于，步骤1)制得的含有冲击孔的双层壁空心涡轮叶片的树脂原型、拆分出的树脂外壁以及用于形成陶瓷型壳外壁面的树脂外壳，这三部分构成双层壁空心涡轮叶片的树脂负型，该树脂负型能够以加热分解或化学腐蚀法去除；

树脂负型的采用光敏树脂制成，该光敏材料在30℃下的粘度为240cps，密度1.2g/cm³，固化时间5～20h，光固化后拉伸强度45MPa，弹性模量2500MPa，邵氏硬度D为80。