CN105618721A - 一种氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置及脱芯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种脱芯装置及脱芯方法，脱芯装置由耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)组成，通过外加N2的方式为脱芯装置增压，采用计算机控制技术实现耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)间压力平衡，利用冷凝装置实现气体与碱液的分离。型芯脱出过程中施加4-15MPa外压，使脱芯碱液在300-400℃下沸腾，利用沸腾碱液扩散快、扰动大的特点，使碱液快速渗入型芯内部将其腐蚀，并冲刷反应产物，保证脱芯反应的连续性。本发明公开的脱芯方法可顺利脱出燃气轮机涡轮叶片中的氧化铝陶瓷型芯。
Description
技术领域
本发明涉及氧化铝陶瓷型芯，特别提供一种氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置及脱芯方法，适用于脱出具有复杂内腔的燃气轮机空心气冷涡轮叶片中的氧化铝陶瓷型芯，也适用于脱出其它具有复杂内腔的高温合金空心铸件中的氧化铝陶瓷型芯。
背景技术
航空、船舶、发电等工业的发展迫切要求不断提高燃气轮机的热效率，提高涡轮前进口温度是提高燃气轮机热效率的重要途径，这要求涡轮叶片的耐高温能力不断提高，通过预制陶瓷型芯生产具有复杂内通道的空心气冷叶片成为最有效的途径。目前先进的航空发动机涡轮前进口温度已达到1757℃，重型燃气轮机透平前进口温度也达到1600℃，在这种情况下，叶片内腔结构变得非常复杂，相应地对陶瓷型芯的性能要求也越来越高。氧化铝陶瓷型芯化学稳定性高、抗蠕变性能好，且具有与刚玉型壳相匹配的热膨胀系数，特别适合于生产定向凝固和单晶条件下生长的大尺寸高温合金空心气冷涡轮叶片。
氧化铝陶瓷型芯由于基体材料Al2O3化学稳定性较好，很难与酸碱腐蚀液发生反应，因此脱芯性能较差。工业上曾经使用的氟盐脱芯法由于氟离子的挥发对人体和环境的危害而被禁用，目前常使用碱溶液和熔融碱液脱芯法。
美国专利(专利号：6241000B1)公开了一种使用碱溶液喷射脱芯的方法，碱溶液为浓度45％的KOH溶液，温度100-150℃，碱溶液喷射压力可达3MPa，利用压缩空气将铸件中的脱芯反应产物吹除，使陶瓷型芯新断面暴漏出来，脱芯过程中周期性喷射碱溶液和压缩空气，达到快速脱芯的目的，但此种方法对于具有蛇形弯曲内通道的叶片，脱芯效果不理想。英国专利(专利号：6739380)公开了一种压力搅拌脱芯法，脱芯液为KOH、NaOH、RuOH、CeOH溶液或其混合物的溶液，通过反复交替改变系统压力，产生搅拌效果，提高脱芯效率。如采用浓度为85％的KOH溶液为脱芯液，脱芯温度220℃-250℃，改变系统压力使其在0.1MPa-0.02MPa范围内变化，产生搅拌效果，脱出型芯，但压力的交替变化给设备运行的稳定性带来隐患。中国专利(申请号：101229975A)公开了一种熔融碱液脱芯方法，使用温度为400-450℃的熔融KOH，通过交替施加正压力和负压力使KOH渗入陶瓷型芯的内部，待陶瓷型芯整体溃散后采用沸水煮芯，重复碱煮-水煮-碱煮的过程，直至陶瓷型芯全部溶解脱出，熔融碱液脱芯法反应温度高，且工艺步骤较为复杂。
氧化铝陶瓷型芯的脱芯工艺复杂，脱芯周期较长，且对设备的耐温、耐压和耐蚀性能要求较为严格，型芯脱出困难已成为制约氧化铝型芯使用的一大瓶颈。
发明内容
针对氧化铝陶瓷型芯脱芯困难的问题，本发明提供了一种脱芯装置及脱芯方法，使脱芯碱液在300-400℃下沸腾，在此温度下，Al2O3与脱芯碱液具有较快的反应速率，且高温沸腾的碱液具有扩散快、扰动大的特点，能渗入复杂型芯的内部将其腐蚀，及时冲刷型芯表面的反应产物，使脱芯碱液能连续接触新的型芯断面，保证腐蚀反应的连续性，提高涡轮叶片中氧化铝陶瓷型芯的脱芯效率。
本发明具体提供了一种氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：所述装置包括耐压壳体5、耐腐蚀料桶6、电磁线圈10、泄压阀1、料桶进气管2、壳体进气管8、压力传感器4以及温度传感器7，其中：
耐腐蚀料桶6可由哈氏合金C-276或蒙乃尔合金400制成，设置于耐压壳体5内部，其下面设有电磁线圈10，用于为耐腐蚀料桶6升温；使用时，将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件12和脱芯碱液11置于耐腐蚀料桶6内，温度传感器7插入耐腐蚀料桶6内碱液液面以下，用于监控脱芯碱液11的温度；
耐压壳体5可由16MnR制成，为脱芯装置的外壳承压部件，其上设有料桶进气管2和壳体进气管8，分别为耐腐蚀料桶6内部以及耐腐蚀料桶6与耐压壳体5之间的空间输送气体，每条进气管上均设有泄压阀1，分别为耐压壳体5和耐腐蚀料桶6泄压。耐压壳体5上还设有两个压力传感器4，分别用于监测耐腐蚀料桶6内以及耐腐蚀料桶6与耐压壳体5之间空间的压力。
本发明所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：采用计算机控制系统控制料桶进气管2和壳体进气管8内的气体流量(即控制进气管和泄压阀的气体流入流出量)，保证耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内的压力始终处于平衡状态。耐腐蚀料桶6易于拆卸和更换，用于提供脱芯反应所需的高温耐蚀环境，但为非承压部件。
本发明所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：耐压壳体5上方装有冷凝器3，冷凝器3套于料桶进气管2外部，耐腐蚀料桶6中的碱液升温沸腾后，冷凝器3中的冷却水将沸腾后逸出的蒸汽冷却，碱液回流至耐腐蚀料桶6内，气体与碱液的分离保证碱液浓度不变。
本发明所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：在耐腐蚀料桶6与电磁线圈10之间设有隔热棉9，用于阻碍耐腐蚀料桶6的热量传向电磁线圈10，避免电磁线圈10因温度过高而损坏。
本发明还提供了一种氧化铝陶瓷型芯的脱芯方法，其特征在于，采用权利要求1所述脱芯装置进行脱芯，包括以下步骤：
a、将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件12放入耐腐蚀料桶6中，并加入脱芯碱液11(优选质量浓度为40～75％的KOH溶液)，由料桶进气管2和壳体进气管8分别向耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内通入N2(使用外加N2的方式为装置增压，也可使用其它惰性气体)，预加压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内的压力为0.2-1.0MPa；
b、电磁线圈10通电，预加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11的温度达到100-150℃，停止加热，电磁线圈10处于保温状态；
c、继续由料桶进气管2和壳体进气管8分别向耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内通入N2，加压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5压力为4-15MPa；
为全面、准确测量脱芯碱液11的温度，在耐腐蚀料桶6内设置三个测温点T1、T2、T3，分别测量碱液上部、中部和底部的温度。由于本发明优选使用KOH溶液，当其浓度大于55％时，在室温下属于过饱和溶液，加热开始前，料桶底部仍有部分未溶解的KOH固态晶体。在加热初期，料桶底部KOH温度T3开始上升，KOH中部温度T2和上部温度T1上升缓慢，至KOH固态晶体全部融化后，整体呈液态的KOH溶液温度趋于一致。碱液中部温度T2能较准确反应脱芯体系的温度(如未特殊说明，本发明所述脱芯碱液11的温度均表示T2温度)，预加压可以减少KOH融化过程中的水分耗散。
d、继续加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11的温度达到步骤c中压力下的沸点；
KOH溶液在一定的压力下具有固定的沸点，保持压力不变，升温至溶液的沸点后，溶剂水剧烈汽化，随溶质KOH扩散逸出，在冷凝器3中被温度较低的冷却水降温后，液化回流至原KOH溶液中。在此过程中，电磁加热线圈持续加热，但碱液温度维持恒定值(沸点)，不再持续升高。
e、保持压力和温度不变的情况下反应6-10h后，停止加热，电磁线圈10断电，待脱芯碱液11的温度降至100℃以下时，打开两个进气管上面的泄压阀1泄压；
f、耐腐蚀料桶6和耐压壳体5压力降至1个大气压时，打开耐压壳体5，拆卸耐腐蚀料桶6，取出带有氧化铝陶瓷型芯的铸件12，水洗(可置于45-80℃的水中冲洗)，观察脱芯效果；
g、重复步骤a-f，直至铸件中的氧化铝型芯全部脱出。
本发明的优点在于：
1.使用高温(300-400℃)沸腾状态的KOH溶液脱出空心铸件中的氧化铝陶瓷型芯，高温碱液与Al2O3反应速度快，碱液沸腾后自身具有较快的渗透速度，可以扩散至型芯内部反应，并冲刷反应产物，保证腐蚀反应的连续性，脱芯设备不用外加机械搅拌机构，使设备结构得到简化。
2.脱芯反应的温度、压力始终维持在恒定范围内，变化幅度小。由于确定浓度的KOH溶液的沸点和压力具有一一对应关系，因此，确定脱芯温度后，无需改变压力即可保证脱芯液的连续沸腾状态，避免了因压力交替变化给脱芯设备带来的安全隐患。
3.耐腐蚀料桶与耐压壳体各自独立增压，计算机控制技术保证耐腐蚀料桶与耐压壳体间压力平衡，耐腐蚀料桶为非承压部件，减少了料桶的设计、选材及加工难度。
附图说明
图1为脱芯装置结构简图。
图2为碱液测温点分布图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所用脱芯装置包括耐压壳体5、耐腐蚀料桶6、电磁线圈10、泄压阀1、料桶进气管2、壳体进气管8、压力传感器4、温度传感器7、冷凝器3以及隔热棉9，其中：
耐腐蚀料桶6由哈氏合金C-276制成，设置于耐压壳体5内部，其下面设有电磁线圈10，用于为耐腐蚀料桶6升温，在耐腐蚀料桶6与电磁线圈10之间设有隔热棉9，用于阻碍耐腐蚀料桶6的热量传向电磁线圈10；使用时，将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件12和脱芯碱液11置于耐腐蚀料桶6内，温度传感器7插入耐腐蚀料桶6内碱液液面以下，用于监控脱芯碱液11的温度；
耐压壳体5由16MnR制成，为脱芯装置的外壳承压部件，其上设有料桶进气管2和壳体进气管8，分别为耐腐蚀料桶6内部以及耐腐蚀料桶6与耐压壳体5之间的空间输送气体，每条进气管上均设有泄压阀1，分别为耐压壳体5和耐腐蚀料桶6泄压。耐压壳体5上还设有两个压力传感器4，分别用于监测耐腐蚀料桶6内以及耐腐蚀料桶6与耐压壳体5之间空间的压力。采用计算机控制系统控制料桶进气管2和壳体进气管8内的气体流量，保证耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内的压力始终处于平衡状态。
耐压壳体5上方装有冷凝器3，冷凝器3套于料桶进气管2外部，用于将沸腾后逸出的脱芯碱液11冷却，耐腐蚀料桶6中的碱液升温沸腾后，冷凝器3中的冷却水将沸腾后逸出的蒸汽冷却，碱液回流至耐腐蚀料桶6内，气体与碱液的分离保证碱液浓度不变。
实施例1
将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件和13kg质量浓度为40％的KOH溶液置于耐腐蚀料桶6中，料桶安装于耐压壳体5内。
通入N2预增压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力为1.0MPa时，关闭料桶进气管2和壳体进气管8，加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11中部温度为100℃时，停止加热。
通入N2增压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力为13.5MPa时，停止加压，加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11中部温度为390℃时，保持温度和压力不变。
反应8h后，停止加热，待碱液中部温度降至100℃以下时，打开泄压阀1泄压。
耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力降至1个大气压时，打开耐压壳体5，拆卸耐腐蚀料桶6，取出铸件，置于60℃的水中冲洗，观察脱芯效果。
用实施例1提供的脱芯方法，脱出某高温合金空心铸件中的陶瓷型芯，该型芯壁厚差异大且细窄处较多，经两次脱芯循环，陶瓷型芯可全部脱出。
实施例2
将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件和15kg质量浓度为60％的KOH溶液置于耐腐蚀料桶6中，料桶安装于耐压壳体5内。
通入N2预增压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力为0.6MPa时，关闭料桶进气管2和壳体进气管8，加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11中部温度为100℃时，停止加热。
通入N2增压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力为6.5MPa时，停止加压，加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11中部温度为380℃时，保持温度和压力不变。
反应8h后，停止加热，待碱液中部温度降至100℃以下时，打开泄压阀1泄压。
耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力降至1个大气压时，打开耐压壳体5，拆卸耐腐蚀料桶6，取出铸件，置于60℃的水中冲洗，观察脱芯效果。
用实施例2提供的脱芯方法，脱出某航空发动机涡轮叶片中的陶瓷型芯，该型芯具有复杂的网状结构，薄壁处较多，经2-3次脱芯循环，叶片中的陶瓷型芯可全部脱出。
实施例3
将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件和18kg质量浓度为75％的KOH溶液置于耐腐蚀料桶6中，料桶安装于耐压壳体5内。
通入N2预增压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力为0.2MPa时，关闭料桶进气管2和壳体进气管8，加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11中部温度为120℃时，停止加热。
通入N2增压至耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力为4.5MPa时，停止加压，加热耐腐蚀料桶6，至脱芯碱液11中部温度为400℃时，保持温度和压力不变。
反应10h后，停止加热，待碱液中部温度降至100℃以下时，打开泄压阀1泄压。
耐腐蚀料桶6和耐压壳体5内压力降至1个大气压时，打开耐压壳体5，拆卸耐腐蚀料桶6，取出铸件，置于60℃的水中冲洗，观察脱芯效果。
用实施例3提供的脱芯方法，脱出某燃气轮机Ⅱ级透平叶片中的氧化铝陶瓷型芯，该型芯尺寸较大，薄壁网格状结构较多，经3～4次脱芯循环，叶片中的陶瓷型芯可全部脱出。
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 (6)
1.一种氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：所述装置包括耐压壳体(5)、耐腐蚀料桶(6)、电磁线圈(10)、泄压阀(1)、料桶进气管(2)、壳体进气管(8)、压力传感器(4)以及温度传感器(7)，其中：
耐腐蚀料桶(6)设置于耐压壳体(5)内部，其下面设有电磁线圈(10)，使用时将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件(12)和脱芯碱液(11)置于耐腐蚀料桶(6)内，温度传感器(7)插入耐腐蚀料桶(6)内碱液液面以下，用于监控脱芯碱液(11)的温度；
耐压壳体(5)上设有料桶进气管(2)和壳体进气管(8)，分别为耐腐蚀料桶(6)内部以及耐腐蚀料桶(6)与耐压壳体(5)之间的空间输送气体，每条进气管上均设有泄压阀(1)；耐压壳体(5)上还设有两个压力传感器(4)，分别用于监测耐腐蚀料桶(6)内以及耐腐蚀料桶(6)与耐压壳体(5)之间空间的压力。
2.按照权利要求1所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：采用计算机控制系统控制料桶进气管(2)和壳体进气管(8)内的气体流量，保证耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)之间的压力平衡。
3.按照权利要求1所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：耐压壳体(5)上方装有冷凝器(3)，冷凝器(3)套于料桶进气管(2)外部，用于将沸腾后逸出的脱芯碱液(11)冷却，实现碱液蒸汽与输入气体的分离。
4.按照权利要求1～3任一所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯装置，其特征在于：在耐腐蚀料桶(6)与电磁线圈(10)之间设有隔热棉(9)，用于阻碍耐腐蚀料桶(6)的热量传向电磁线圈(10)。
5.一种氧化铝陶瓷型芯的脱芯方法，其特征在于，采用权利要求1所述脱芯装置进行脱芯，包括以下步骤：
a、将带有氧化铝陶瓷型芯的铸件(12)放入耐腐蚀料桶(6)中，并加入脱芯碱液(9)，由料桶进气管(2)和壳体进气管(8)分别向耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)内通入N2，预加压至耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)内的压力为0.2-1.0MPa；
b、电磁线圈(10)通电，预加热耐腐蚀料桶(6)，至脱芯碱液(11)的温度达到100-150℃；
c、继续由料桶进气管(2)和壳体进气管(8)分别向耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)内通入N2，加压至耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)压力为4-15MPa；
d、加热耐腐蚀料桶(6)，至脱芯碱液(11)的温度达到步骤(c)中压力下的沸点；
e、反应6-10h后，停止加热，待脱芯碱液(11)的温度降至100℃以下时，打开两个进气管上面的泄压阀(1)泄压；
f、耐腐蚀料桶(6)和耐压壳体(5)压力降至1个大气压时，取出带有氧化铝陶瓷型芯的铸件(12)，水洗，观察脱芯效果；
g、重复步骤a-f，直至铸件中的氧化铝型芯全部脱出。
6.按照权利要求5所述氧化铝陶瓷型芯的脱芯方法，其特征在于：所述脱芯碱液(11)为KOH溶液，其质量浓度为40～75％。
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