CN105127373A - 一种双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯的制备方法，属精密铸造陶瓷型芯制备技术领域。该方法包括空心陶瓷型芯用内芯的制备过程，镶嵌内芯的陶瓷型芯的制备过程以及陶瓷型芯的烧结过程。具体工艺过程为：在石蜡中添加碳粉末，配制空心陶瓷型芯用内芯的石蜡基浆料；通过注射成型方法获得石蜡基复合材料内芯部件；在高温碳化炉中对石蜡基复合材料内芯部件进行高温碳化处理，得到具有一定强度和孔隙率的碳化内芯部件；将碳化后的内芯部件镶嵌在制备陶瓷型芯的金属模具中，通过注射成型方法制备出包覆内芯在内的空心陶瓷型芯；然后通过埋粉烧结的方式对包覆内芯的陶瓷型芯进行脱蜡和烧结处理，最终获得空心陶瓷型芯部件。采用本发明的制备方法获得的空心陶瓷型芯，具有高的强度，高的尺寸精确度，高的成品率，满足高温合金双层壁空心叶片的制备需要。

Description

一种双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯的制备方法

技术领域

本发明涉及高温合金技术领域用陶瓷型芯的制备方法，特别是涉及一种双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯的制备方法。

背景技术

随着现代航空工业的发展，航空发动机正朝着高推重比的方向发展。推重比的提高，必然导致现代高性能燃气涡轮发动机的涡轮前进口温度的进一步提高。在发动机结构尺寸完全无变化的情况下，涡轮前燃气温度每提高55℃，发动机推力可提高10％左右。在涡轮前进口温度不断提高的情况下，就要保证涡轮叶片在高温燃气环境下安全可靠的服役。目前主要从两个方面来提高叶片的工作温度，一是提高叶片合金本身的承温能力，二是采用叶片冷却技术来降低叶片的温度。在叶片自身承温能力方面，叶片合金经历了从铸造高温合金到定向高温合金再到单晶高温合金的变化，承温能力已经有了很大的提高，但是与叶片的实际需求相比，还是远远不够的。因此还必须对涡轮叶片采用先进的冷却技术，提高叶片的冷却效率，增强发动机的寿命及可靠性。

研究表明，目前采用的涡轮复合式高效冷却叶片，只能满足推重比10一级的发动机的设计要求，要发展更高推力的先进航空涡轮发动机，必须开展新型高效涡轮冷却叶片技术的研究。对于新型涡轮叶片的冷却结构，研究的现状和发展趋势为具有双层壁冷却结构的涡轮叶片，它被认为是高效的冷却结构，其冷却效果接近于发散冷却。这种冷却叶片结构的特点是在双层壁内含有数量极多的细小冷气通道和各种形状的扰流柱，使叶片内部造成很大换热面积和很高的换热系数，冷气能够充分的吸收热量，从而提高冷却效果。

陶瓷型芯是用来形成空心叶片复杂内腔形状的部件。随着高效涡轮冷却叶片的出现，陶瓷型芯的制造成为制备空心叶片的关键技术，这对陶瓷型芯的制备工艺，尺寸精度及性能要求也将极为苛刻。特别是对于这种具有双层壁冷却结构的涡轮叶片的制备，其关键是要制备出满足其要求的空心陶瓷型芯。目前有报道采用水溶性材料制成水溶性芯，再把这个芯放置在模具中，压制出包覆水溶性芯的蜡件，用水或酸化水溶出水溶性件，再按照实心型芯的烧结方法进行埋粉烧结。这种方法存在明显的缺点，一是由于水溶性芯本身强度的问题，在压制蜡件的过程中，由于蜡液的温度和高速冲击会使其破坏，特别是对于一些细小的部分更容易受到破坏；二是由于水溶性芯在烧结前已被脱除，在烧结过程中会发生破裂和变形，特别是对于一些大的具有更加复杂内腔的空心陶瓷型芯，这种情况更加严重。比如用于制备双层壁空心叶片用的空心陶瓷型芯，由于内部复杂的结构，很难制备成功，且不适于工业化生产。因此，获得性能优异的内芯是制备满足这种双层壁空心涡轮叶片用空心陶瓷型芯的关键。石蜡是以直链型正构烷烃为主的多种烷烃混合物，在一定的温度和惰性气体保护条件下可以发生高温碳化，获得具有多孔结构的碳材料。同时为了获得高的强度，在石蜡中添加一定数量的碳粉末或碳纤维等来增强其力学性能。这种碳化材料有望用来作为空心陶瓷型芯用内芯。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺点，提供一种制备空心陶瓷型芯的工艺，满足高温合金双层壁空心叶片的制备，且以期获得在高效气冷发动机涡轮叶片上的广泛应用。采用该工艺制备的空心陶瓷型芯具有高的强度，高的尺寸精度，高的成品率，易于成型，适用于工业化生产。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于包括有以下过程和步骤：

A.空心陶瓷型芯用内芯的制备

a.制备内芯用石蜡基复合材料浆料：将所需的碳粉末在100℃下干燥处理12小时，在石蜡于60℃～80℃熔化后，逐渐加入一定量热的碳粉末，石蜡与碳粉末的质量比为1:1~1:4，碳粉末的粒径为50～200微米。采用机械搅拌的方式不断地搅拌，直至搅拌均匀，搅拌需要14～26小时；

b.空心陶瓷型芯用内芯的成型：将混合均匀的石蜡基复合材料浆料温度控制在70℃～90℃，采用注射成型的方法进行内芯的成型,注射成型压力为0.4～4MPa，保压时间40秒～150秒；

c.空心陶瓷型芯用内芯的高温碳化：将制备的空心陶瓷型芯用内芯部件在真空条件下或惰性气体（氮气或氩气）保护条件下，在一定的温度下进行高温碳化处理，获得具有一定强度的内芯部件,其中内芯的高温碳化温度为800～1000℃，碳化保温时间20~120min，升温速率为2～10℃/min；

B.镶嵌内芯的陶瓷型芯的制备

a.空心陶瓷型芯用陶瓷浆料的制备：将陶瓷型芯用氧化硅或氧化铝粉末在130℃下干燥处理24小时，待石蜡在60℃～80℃熔化后，将一定量热的氧化硅或氧化铝粉末缓慢地加入到石蜡中；石蜡与粉料的配比为1:5~1:8；不断地进行搅拌，直至搅拌均匀，搅拌时间为14～26小时；

b.陶瓷型芯的成型：将上述制得的内芯镶嵌在制备陶瓷型芯的金属外模具内，将混合好的陶瓷型芯浆料温度控制在70℃～90℃，采用注射成型的方法进行陶瓷型芯的成型；注射成型压力为0.4～4MPa，保压时间40秒～150秒；

c.陶瓷型芯的烧结：对获得的陶瓷型芯采用埋粉烧结方式进行烧结，埋粉填料为三氧化二铝粉末，粒径为100～800目工业级煅烧氧化铝粉末，烧结气氛为空气气氛；在加热烧结过程中，上述镶嵌的内芯会在氧气环境下发生反应形成气体被脱除，最终制得空心陶瓷型芯；对于空心氧化硅基陶瓷型芯，升温速率为1～5℃/min，烧结温度为1150～1250℃，烧结时间10～24小时；对于空心氧化铝基陶瓷型芯，升温速率为1~5℃/min，烧结温度为1450～1550℃，烧结时间10～36小时；之后随炉冷却；最终即得双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯。

相对于现有技术，本发明的空心陶瓷型芯具有显而易见的突出的实质性特点和显著优点：

1.本发明利用石蜡基复合材料的制备优势，在石蜡中加入碳粉末，利用注射成型的方法制备出复杂形状的空心陶瓷型芯用内芯，通过高温碳化获得所需要的内芯，制备的内芯具有足够的强度和尺寸精度，利于在陶瓷型芯浆料的注射过程中保持一定的形状不被损坏和成型后的空心陶瓷型芯具有的尺寸精确性，且碳化之后具有足够的孔隙率，利于在陶瓷型芯埋粉烧结过程中通过毛细管力的作用吸附陶瓷型芯中的蜡液以便其更好的脱除。

2.制备的空心陶瓷型芯适合于双层壁的空心叶片的制备，可以扩展到其他铸造工业中。

3.制备的空心陶瓷型芯具有高的强度，同时也保持着一定的孔隙率，满足实际的工业化生产需要。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例一

将需要的碳粉末在干燥箱中于100℃下干燥处理12小时，待石蜡在搅拌容器中于80℃完全溶化后，向石蜡中加入热的碳粉末，石蜡与碳粉末的质量比为1:3，边加入边搅拌，搅拌20小时，得到搅拌均匀的内芯用石蜡基材料浆料；内芯的成型采用注射成型的方法，将获得的石蜡基浆料的温度控制在85℃，成型压力为1MPa，保压时间为60秒，获得所需形状的石蜡基复合材料；将石蜡基复合材料在碳化炉中进行高温碳化，保护气氛为氩气保护，升温速率为5℃/min，升至900℃保温2小时进行碳化，之后随炉冷却，获得所需的陶瓷型芯用内芯部件；将氧化硅原粉末在干燥箱中于130℃下干燥处理24小时，待石蜡在搅拌容器中于80℃完全熔化后，向石蜡中加入热的氧化硅粉末，石蜡与氧化硅粉末的质量比为1:6.14，边加入边搅拌，搅拌24小时，获得搅拌均匀的氧化硅基陶瓷浆料；陶瓷型芯的成型也采用注射成型的方法，将碳化后获得内芯部件镶嵌在陶瓷型芯金属模具中，氧化硅基陶瓷浆料温度控制在85℃，成型压力为1MPa,保压时间为60秒，获得包覆内芯的氧化硅基陶瓷型芯；将氧化硅基陶瓷型芯放置于匣钵内的三氧化二铝填料中，填料粒度为500目，再将匣钵放置于箱式电阻炉中进行烧结，低温阶段升温速率为1.5℃/min,升温至500℃，之后升温速率提高为3℃/min,升至终烧温度1215℃保温10小时，随炉冷却，最终获得氧化硅基空心陶瓷型芯。

实施例二

将需要的碳粉末在干燥箱中于100℃下干燥处理12小时，待石蜡在搅拌容器中于80℃完全溶化后，向石蜡中加入热的碳粉末，石蜡与碳粉末的质量比为1:3，边加入边搅拌，搅拌20小时，得到搅拌均匀的内芯用石蜡基材料浆料；内芯的成型采用注射成型的方法，将获得的石蜡基浆料的温度控制在85℃，成型压力为1MPa，保压时间为60秒，获得所需形状的石蜡基复合材料；将石蜡基复合材料在碳化炉中进行高温碳化，保护气氛为氩气保护，升温速率为5℃/min，升至900℃保温2小时进行碳化，之后随炉冷却，获得所需的陶瓷型芯用内芯部件；将氧化铝原粉末在干燥箱中于130℃下干燥处理24小时，待石蜡在搅拌容器中于80℃完全熔化后，向石蜡中加入热的氧化铝粉末，石蜡与氧化铝粉末的质量比为1:6，边加入边搅拌，搅拌24小时，获得搅拌均匀的氧化铝基陶瓷浆料；陶瓷型芯的成型也采用注射成型的方法，将碳化后获得内芯部件镶嵌在陶瓷型芯金属模具中，氧化铝基陶瓷浆料温度控制在85℃，成型压力为1MPa,保压时间为60秒，获得包覆内芯的氧化铝基陶瓷型芯；将氧化铝基陶瓷型芯放置于匣钵内的三氧化二铝填料中，填料粒度为500目，再将匣钵放置于箱式电阻炉中进行烧结，低温阶段升温速率为1.5℃/min,升温至500℃，之后升温速率提高为3℃/min,升至终烧温度1500℃保温10小时，随炉冷却，最终获得氧化铝基空心陶瓷型芯。

Claims (1)

1.一种双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯的制备方法，其特征在于包括有以下过程和步骤：

A．空心陶瓷型芯用内芯的制备

a.制备内芯用石蜡基复合材料浆料：将所需的碳粉末在100℃下干燥处理12小时，在石蜡于60℃～80℃熔化后，逐渐加入一定量热的碳粉末，石蜡与碳粉末的质量比为1:1~1:4，碳粉末的粒径为50～200微米；采用机械搅拌的方式不断地搅拌，直至搅拌均匀，搅拌需要14～26小时；

b.空心陶瓷型芯用内芯的成型：将混合均匀的石蜡基复合材料浆料温度控制在70℃～90℃，采用注射成型的方法进行内芯的成型；注射成型压力为0.4～4MPa，保压时间40秒～150秒；

c.空心陶瓷型芯用内芯的高温碳化：将制备的空心陶瓷型芯用内芯部件在真空条件下或惰性气体（氮气或氩气）保护条件下，在一定的温度下进行高温碳化处理，获得具有一定强度的内芯部件，其中内芯的高温碳化温度为800～1000℃，碳化保温时间20~120min，升温速率为2～10℃/min；

B.镶嵌内芯的陶瓷型芯的制备

a.空心陶瓷型芯用陶瓷浆料的制备：将陶瓷型芯用氧化硅或氧化铝粉末在130℃下干燥处理24小时，待石蜡在60℃～80℃熔化后，将一定量热的氧化硅或氧化铝粉末缓慢地加入到石蜡中；石蜡与粉末的配比为1:5~1:8；不断地进行搅拌，直至搅拌均匀，搅拌时间为14～26小时；

b.陶瓷型芯的成型：将上述制得的内芯镶嵌在制备陶瓷型芯的金属外模具内，将混合好的陶瓷型芯浆料温度控制在70℃～90℃，采用注射成型的方法进行陶瓷型芯的成型；注射成型压力为0.4～4MPa，保压时间40秒～150秒；

c.陶瓷型芯的烧结：对获得的陶瓷型芯采用埋粉烧结方式进行烧结，埋粉填料为三氧化二铝粉末，粒径为100～800目工业级煅烧氧化铝粉末，烧结气氛为空气气氛；在加热烧结过程中，上述镶嵌的内芯会在氧气环境下发生反应形成气体被脱除，最终制得空心陶瓷型芯；对于空心氧化硅基陶瓷型芯，升温速率为1～5℃/min，烧结温度为1150～1250℃，烧结时间10～24小时；对于空心氧化铝基陶瓷型芯，升温速率为1~5℃/min，烧结温度为1450～1550℃，烧结时间10～36小时；之后随炉冷却；最终即得双层壁空心叶片用空心陶瓷型芯。