CN105218107B - 一种陶瓷转子类零件制造工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，涉及一类具有叶片数量较多、叶型结构复杂、零件材料为耐高温硬脆陶瓷，且结构尺寸较小的转子类零件制造工艺方法。本发明解决了目前陶瓷转子类零件制造废品率高、制造效率低、材料性能难以满足工作需求的问题。步骤：零件模型尺寸比例放大；零件毛坯静压成型制备；零件采用铣削工艺粗加工；零件二次高温烧结致密；零件叶片采用磨削工艺精加工，完成制造。本发明加工效率提高了3～6倍，降低了废品率，并提高了质量可靠性；叶片抗拉强度高达350MPa，叶型精度为0.08mm，动不平衡量达到0.8g·mm/Kg，表面粗糙度小于0.5μm；本发明实现了叶片数量较多、叶型结构复杂的陶瓷转子制造。

Description

一种陶瓷转子类零件制造工艺方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，特别涉及一种具有复杂叶型、叶片数量多且叶片结构较薄、材料具有较高硬度和较低断裂韧性的耐高温陶瓷材料转子零件制造工艺方法。

背景技术

转子是燃气轮机、航天飞行器发动机上关键部件，其传统制造材料为不锈钢、钛合金、高温合金等金属材料。随着发动机性能要求的提高，金属材料密度大、转子动部平衡量高、耐高温性能差、气蚀现象严重等问题越来越突出。耐高温陶瓷材料在高温环境下可以具有较高的强度和硬度，同时又具有低质量、耐腐蚀、耐摩损、随温度变化不敏感等特性。由于良好的物理性能和化学性能，成为转子研制的理想材料，陶瓷转子制造也成为许多企业和机构研究的重点。由于耐高温陶瓷材料具有较高的硬度和较低的断裂韧性值，同时转子零件叶片数量多、叶型结构复杂、叶片结构较薄，采用传统磨削加工工艺制造陶瓷转子，其加工效率低、加工表面完整性差、加工成本高等问题非常突出；同时，加工过程中易出现崩裂，废品率高，限制了陶瓷转子工程化应用。目前对于新型陶瓷转子制造工艺方法鲜有报道。

经过现有技术的文献检索发现，国内外对复杂叶型结构陶瓷零部件制造多采用一次成型工艺，如美国Norton高级陶瓷公司对NT154Si₃N₄材料在加压条件下进行粉浆浇注法成型研制出陶瓷涡轮叶片，航天43所也采用粉浆浇注成型法制备出燃气轮机用转子，采用该方法所研制的陶瓷转子废品率很高，且主要针对结构较为简单，且叶片数量较少的陶瓷转子制造；而目前，尤其是航天飞行器发动机所用转子，叶片数量较多，且叶片较薄。文献《反应烧结Si₃N₄陶瓷微型转子的制备》提出了将加工好的Si粉预烧体部件在氮气中加热，使其发生Si₃N₄反应烧结得到Si₃N₄陶瓷转子，该方法结合了Si粉预烧结体的可加工性和Si₃N₄反应烧结所具有的近净尺寸成形特点,但是该方法所针对的是微小陶瓷零件制造。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，以至少解决目前陶瓷转子类零件制造废品率高、制造效率低、材料性能难以满足工作需求的问题，本发明是一种高效、高精度的具有复杂叶型、叶片数量多且叶片结构较薄、材料具有较高硬度和较低断裂韧性的耐高温陶瓷材料转子零件制造工艺方法，实现陶瓷转子高效、高精度制造，从而满足工作要求。

本发明一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其具体步骤为：

步骤一：根据陶瓷转子零件工作性能要求，确定陶瓷材料种类，并根据不同的陶瓷材料，确定陶瓷材料静压成型与二次烧结致密间的收缩率δ；

步骤二：根据陶瓷材料收缩率，计算陶瓷转子粗加工尺寸，粗加工尺寸为最终转子尺寸的(1+δ)倍；

步骤三：确定陶瓷材料粉体尺寸，并将陶瓷粉体、粘合剂、水溶剂及添加剂在常温下混合，形成浆料；

步骤四：将浆料注入圆柱形模具，静置半小时使挥发性有机材料挥发一部分，然后在60度下烘烤半小时使挥发性有机材料挥发完全；

步骤五：在一定压强下，采用静压成型机将浆料静压成型；

步骤六：将静压成型后陶瓷材料毛坯用沙子埋没，采用真空烧结炉进行烧结；

步骤七：采用四轴高速铣削机床和整体式球头刀具，将陶瓷材料毛坯加工至陶瓷转子零件扩大后尺寸，加工余量为0.5mm；

步骤八：将加工后零件放入真空烧结炉进行二次致密烧结；

步骤九：对二次致密烧结后陶瓷转子零件选用不同粒度、浓度的金刚石球头磨头进行叶型精磨，加工余量为0，且表面粗糙度小于0.5μm。

其中：步骤一和步骤二中提出了粗加工过程中陶瓷转子加工尺寸与零件最终尺寸之间存在一个扩大倍数(1+δ)。如此设计，为了保证粗加工后陶瓷轴转子零件二次致密烧结后尺寸最大可能接近零件最终尺寸要求，减小精加工余量，提高加工效率。

其中：步骤四设计了静压成型前对挥发性有机物质进行处理，通过静置和烘烤去除挥发性有机物质，减少陶瓷成型过程中产生气孔，提高了毛坯成型密度和成型强度。

其中：步骤五和步骤六中对浆料采用静压成型与低温烧结结合的材料制备工艺，提高了陶瓷粉体间结合力。

其中：步骤三、步骤四、步骤五和步骤六中采用凝胶成型方法制备陶瓷毛坯，该方法成型时间短，成本低，准确度高；且所制备的陶瓷材料可加工性能好，提高了转子零件加工成型效率。

其中：步骤八采用二次烧结工艺对零件毛坯致密，提高了零件材料强度，并提高了叶片表面耐摩擦和零件耐高温性能。

其中：步骤七采用铣削工艺方法进行转子叶片粗加工；步骤九采用磨削工艺方法进行转子叶片精加工，提高了陶瓷转子加工效率和加工质量。

优选的：在步骤一中，采用静压成型制备直径为100mm的陶瓷圆柱体，然后将该陶瓷圆柱体二次烧结致密，测量此时陶瓷圆柱体的直径D，从而获得材料收缩率δ。

优选的：在步骤三中，采用筛子将陶瓷粉体尺寸控制在200目以上。如此设计，陶瓷粉体表面性能好，可保证陶瓷材料静压成型与二次致密烧结后强度满足性能需求。

优选的：在步骤三中，陶瓷粉体中添加稀土元素氧化物作为添加剂，如La2O3、Sm2O3、Nd2O3。如此设计，可以促进烧结过程，获得致密性陶瓷材料。

优选的：在步骤三中，采用的粘合剂为三甲基丙烷三丙烯酸。如此设计，该类型粘合剂粘度较低，可改变聚合凝胶的机械性能，最适合陶瓷成型。

优选的：在步骤五中，在压强为55MPa下，对陶瓷浆料成型。如此设计，该压强下，陶瓷材料毛坯成型效果最好。

优选的：在步骤六中，采用烧结温度110℃，保温时间30min对陶瓷毛坯材料进行真空烧结。如此设计，提高陶瓷毛坯强度和断裂韧性，防止粗加工过程中材料碎裂。

优选的：在步骤七中，全部采用整体式球头刀具在精雕机上加工陶瓷毛坯至尺寸要求，刀具转速24000r/min，切深0.05mm，进给速度为100mm/min。如此设计，可提高陶瓷转子粗加工表面完整性，同时可保证加工精度。

优选的：所述精雕机床为Carver_A10精雕机床。如此设计，该机床具有较高的主轴转速，同时机床结构紧凑，机床振动小。

优选的：在步骤八中，以氮气作为加压物质，在温度1600～1800℃，压力20～30MPa，保压时间20～120min条件下对粗加工后陶瓷转子进行致密烧结。如此设计提高陶瓷材料硬度和强度，以满足零件性能需求。

优选的，在步骤九中，采用粒度为D91的电镀金刚石球头磨头精磨叶型，刀具转速24000r/min，切深0.03mm。如此设计，提高零件加工精度。

本发明所达到的效果为：

(1)本发明提供了一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，采用该加工方法，加工效率提高了3～6倍，降低了废品率，并提高了质量可靠性；

(2)本发明所提供的陶瓷转子制造工艺方法，叶片抗拉强度高达350MPa，叶型精度为0.08mm，动不平衡量达到0.8g·mm/Kg，表面粗糙度小于0.5μm；

(3)本发明实现了具有30个叶片、转子外径为85mm的陶瓷转子制造，叶片最薄处为1.5mm，最厚处仅有3.2mm，叶片高度为17mm。

附图说明

图1是某类型转子的结构图；

图2是图1的侧视图；

图3是转子叶型剖视图；

图4是步骤七中铣削刀具的示意图

图5是图4的横截面图；

图6是步骤九中磨削刀具的示意图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其具体步骤为：

本实施例以某型号发动机所需的陶瓷转子为例，该转子材料为SiC陶瓷，转子外径为85mm，边缘均匀分布30个叶片，叶片高度为17mm，宽度为10mm，如图1和2所示。该转子叶型为复杂曲线连接而成，叶片最薄处为1.5mm，最厚处仅有3.2mm，如图3所示。该转子制造工艺具体步骤如下：

步骤一：根据SiC陶瓷材料性能，确定陶瓷材料静压成型与二次烧结致密间的收缩率δ为0.17；

步骤二：根据其收缩率将陶瓷转子零件加工各最终尺寸扩大至1.17倍；

步骤三：通过过滤获得300目的SiC陶瓷粉末，以55％、5％、39％、1％的比例将SiC陶瓷粉末、三甲基丙烷三丙烯酸、水、La₂O₃和Nd₂O₃进行混合均匀；

步骤四：将浆料注入圆柱形模具，静置半小时使挥发性有机材料挥发一部分，然后在60度下烘烤半小时使挥发性有机材料挥发完全；

步骤五：在压强为55MPa下，采用静压成型机将浆料静压成型；

步骤六：将静压成型后陶瓷材料毛坯用沙子埋没，在烧结温度110℃，保温时间30min条件下采用真空烧结炉进行烧结；

步骤七：全部采用整体式Φ2.4mm球头刀具在Carver_A10精雕机上加工陶瓷毛坯至尺寸要求，刀具转速24000r/min，切深0.05mm，进给速度为100mm/min，加工余量为0.5mm；

步骤八：以氮气作为加压物质，在温度1600～1800℃，压力20～30MPa，保压时间20～120min条件下对粗加工后陶瓷转子进行致密烧结；

步骤九：采用粒度为D91、直径为2.4mm电镀金刚石球头磨头精磨叶型，刀具转速24000r/min，切深0.03mm，加工余量为0，且表面粗糙度小于0.5μm；

本示例制造的SiC陶瓷转子材料性能可满足工作要求，且加工表面完整性优，转子叶片抗拉强度高达350MPa，叶型精度为0.08mm，动不平衡量达到0.8g·mm/Kg；，表面粗糙度小于0.5μm，满足其制造技术指标。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：具体步骤为：

步骤一：根据陶瓷转子零件工作性能要求，确定陶瓷材料种类，并根据不同的陶瓷材料，确定陶瓷材料静压成型与二次烧结致密间的收缩率δ；

步骤二：根据陶瓷材料收缩率，计算陶瓷转子粗加工尺寸，粗加工尺寸为最终转子尺寸的(1+δ)倍；

步骤三：确定陶瓷材料粉体尺寸，并将陶瓷粉体、粘合剂、水溶剂及添加剂在常温下混合，形成浆料；

步骤四：将浆料注入圆柱形模具，静置半小时使挥发性有机材料挥发一部分，然后在60度下烘烤半小时使挥发性有机材料挥发完全；

步骤五：在一定压强下，采用静压成型机将浆料静压成型；

步骤六：将静压成型后陶瓷材料毛坯用沙子埋没，采用真空烧结炉进行烧结；

步骤七：采用四轴高速铣削机床和整体式球头刀具，将陶瓷材料毛坯加工至陶瓷转子零件扩大后尺寸，加工余量为0.5mm；

步骤八：将加工后零件放入真空烧结炉进行二次致密烧结；

步骤九：对二次致密烧结后陶瓷转子零件选用不同粒度、浓度的金刚石球头磨头进行叶型精磨，加工余量为0，且表面粗糙度小于0.5μm；

在步骤六中，采用烧结温度110℃，保温时间30min对陶瓷毛坯材料进行真空烧结；

在步骤七中，全部采用整体式球头刀具在精雕机床上加工陶瓷毛坯至尺寸要求，刀具转速24000r/min，切深0.05mm，进给速度为100mm/min。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：在步骤一中，采用静压成型制备直径为100mm的陶瓷圆柱体，然后将该陶瓷圆柱体二次烧结致密，测量此时陶瓷圆柱体的直径D，从而获得材料收缩率δ。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：在步骤三中，采用筛子将陶瓷粉体尺寸控制在200目以上。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：在步骤三中，陶瓷粉体中添加稀土元素氧化物作为添加剂。

5.根据权利要求1所述的一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：在步骤五中，在压强为55MPa下，对陶瓷浆料成型。

6.根据权利要求1所述的一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：在步骤八中，以氮气作为加压物质，在温度1600～1800℃，压力20～30MPa，保压时间20～120min条件下对粗加工后陶瓷转子进行致密烧结。

7.根据权利要求1所述的一种陶瓷转子类零件制造工艺方法，其特征在于：在步骤九中，采用粒度为D91的电镀金刚石球头磨头精磨叶型，刀具转速24000r/min，切深0.03mm。