CN106180576B - 一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法 - Google Patents

一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法 Download PDF

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Abstract

一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，包括以下步骤：第一步、使用硅基单晶陶瓷料压制陶瓷型芯素坯；压制过程中，芯料温度100℃～110℃；合模压力600psi～650psi；注射压力45bar～55bar；保压时间23S～27S；流量30％～35％；第二步、对制得的陶瓷型芯素坯进行烧结；烧结过程中，在200℃入炉，升温至1180℃～1190℃，保温后随炉冷却；第三步、将烧结后的陶瓷型芯素坯放入加固剂中浸渍3～4小时进行强化成形，充分干燥；第四步、在成形好的陶瓷型芯上通过数控设备加工陶瓷型芯扰流柱孔。本发明实现了较薄排气边的单晶涡轮叶片排气边扰流柱孔的成形，合格率高、应用前景广阔。

Description

一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法
技术领域
本发明涉及发动机叶片陶瓷型芯的成形方法，具体涉及一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法。
背景技术
单晶叶片用陶瓷型芯是由粉末状原料与增塑剂混合制成的，其排气边齿缝大于0.5mm，经模具压制之后高温焙烧而成。在模具压制过程中，由于陶芯结构复杂，排气边成形扰流柱的孔及突台等通过模具压制成形，难免会产生一些飞边和毛刺，因此需要对其进行进一步的修整。目前通常采用人工手动方式进行修型，极易产生塑性变形，修整质量极不稳定，直接影响了成品陶芯的质量。针对排气边齿缝小于0.5mm的陶瓷型芯，采用现有工艺方法，排气边的扰流柱孔周边存在大量的裂纹，合格率不足5％，严重影响着单晶叶片的研制。
随着先进发动机的快速发展，单晶叶片的需求越来越大。高效冷却的单晶叶片排气边齿缝越来越小，成形排气边的陶瓷型芯越来越薄。排气边处的扰流柱由陶瓷型芯的扰流柱孔成形，由于排气边的厚度小于0.5mm，有的叶片达到0.24mm。国外针对此类扰流柱孔加工改变了工艺流程，即在陶瓷型芯强化后进行自动化的毛刺修型，但该技术对我国实行封锁，相关的设备向中国禁售。排气边小于0.5mm的陶瓷型芯的成形技术成为阻碍复杂内腔，窄排气缝单晶叶片制造技术的瓶颈。陶瓷型芯的成形技术是新一代单晶涡轮叶片关键制造技术之一。
因此本发明通过对陶瓷型芯压制模具及工艺过程的改进，既不同于国内传统工艺，亦不同于国外工艺，将原工艺由模具压制(带孔)、修型孔、烧结成形、强化，更改为模具压制(无孔)、烧结、强化、铣孔。采用该方法能够解决排气边厚度小于0.5mm的薄壁陶瓷型芯扰流柱孔成形合格率低或者无法成形的问题。整体铸造的排气边性能优于带孔的性能，排气边的扰流柱孔通过专用工装夹具、专用刀具、优化的参数以及程序化的加工路径进行冷加工成形，成形的铸造用陶瓷型芯扰流柱孔完全满足铸造的使用要求，且合格率高，成本低、效率高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，获得具有使用功能的铸造单晶叶片用陶瓷型芯，提高合格率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
第一步、使用硅基单晶陶瓷料压制陶瓷型芯素坯；压制过程中，芯料温度100℃～110℃；合模压力600psi～650psi；注射压力45bar～55bar；保压时间23S～27S；流量30％～35％；
第二步、对制得的陶瓷型芯素坯进行烧结；烧结过程中，在200℃入炉，升温至1180℃～1190℃，保温后随炉冷却；
第三步、将烧结后的陶瓷型芯素坯放入加固剂中浸渍3～4小时进行强化，之后充分干燥；
第四步、在成形好的陶瓷型芯上通过数控设备加工陶瓷型芯扰流柱孔。
所述第二步烧结过程中保温6小时之后随炉冷却。
所述的第一步中使用MPI压制设备将硅基单晶陶瓷料压制成陶瓷型芯素坯。
所述的第三步中加固剂采用硅酸乙酯。
所述的第三步中的干燥过程为：将加固剂中浸渍后的陶瓷型芯素坯放在芯盒内自干不少于20个小时，然后再放入氨干箱内氨干30分钟～40分钟。
所述的第四步中采用Smart CNC 500E-DRTD数控设备在成形好的陶瓷型芯上加工陶瓷型芯扰流柱孔，使用夹具装夹固定陶瓷型芯，加工参数如下：
主轴转速14900转/分～15100转/分；
进给速度98mm/min～100mm/min；
z向每刀深度0.09mm～0.11mm。
所述的陶瓷型芯排气边的厚度小于0.5mm。
叶片材料为IC10合金或DD5合金。
与现有技术相比，本发明成形方法具有如下的有益效果：对于排气边单晶叶片壁厚小于0.5mm的陶瓷型芯，陶瓷型芯素坯压制过程中由有孔改为无孔，解决了带孔的陶瓷型芯沿孔周易产生裂纹的问题，提高了陶瓷型芯的充型能力及陶瓷型芯的成品率。然后采用高转速数控设备编程加工扰流柱孔，该方法成形的陶瓷型芯扰流柱孔能够满足带扰流柱的复杂内腔单晶叶片的铸造工艺过程。某空心IC10材料单晶涡轮导向叶片用陶瓷型芯的排气边扰流柱孔采用本发明方法成形，经该涡轮导向叶片的单晶铸造实际应用，生产出了合格的铸造单晶叶片。该发明在某机IC10材料单晶涡轮导向叶片排气边扰流柱的铸造过程中取得了很好的效果，同时本发明所提供的工艺、方法也能够推广应用到其他材料较薄排气边的单晶涡轮叶片排气边扰流柱孔的成形当中，从而应用于单晶叶片的铸造当中，前景广阔。
附图说明
图1(a)现有排气边带扰流柱孔的单晶叶片用陶瓷型芯部分结构图；
图1(b)现有排气边带扰流柱孔的单晶叶片用陶瓷型芯部分结构G-G向剖视放大图；
图2(a)本发明排气边未带扰流柱孔的单晶叶片用陶瓷型芯部分结构图；
图2(b)本发明排气边未带扰流柱孔的单晶叶片用陶瓷型芯部分结构G-G向剖视放大图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
某型号发动机单晶涡轮导向叶片用陶瓷型芯，陶瓷型芯为硅基陶瓷型芯，陶瓷型芯排气边的厚度为0.45mm，带直径为2mm的扰流柱孔44个。叶片材料为IC10。
对比图1(a)，图1(b)，图2(a)，图2(b)，该陶瓷型芯的排气边孔成形方法如下：
设计思路：陶瓷型芯的排气边扰流柱孔未在模具设计制造的过程中制得；
素坯的压制、烧结、成形：
硅基单晶陶瓷料，模具中未设计排气边扰流柱孔，采用美国进口MPI设备压制，压制参数：芯料温度100℃；合模压力600psi；注射压力45bar；保压时间23S；流量30％；
烧结：200℃入炉，升温至1180℃保温6小时后随炉冷却；
强化：将烧结后的陶瓷型芯放入硅酸乙酯加固剂中浸渍，3小时取出，放在芯盒内自干，时间不少于20小时，再放入氨干箱内氨干30分钟。
陶瓷型芯扰流柱气膜孔的成形：采用Smart CNC 500E-DRTD设备进行数控编程加工成形，将成形好的陶瓷型芯放入专用的夹具并装夹好，设备的工艺参数设置如下：
主轴转速14900转/分；
进给速度98mm/min；
z向每刀深度0.09mm。
实施例2
某型号发动机单晶涡轮导向叶片用陶瓷型芯，陶瓷型芯为硅基陶瓷型芯，陶瓷型芯排气边的厚度为0.38mm，带直径为1.5mm的扰流柱孔38个。叶片材料DD5。
对比图1(a)，图1(b)，图2(a)，图2(b)，陶瓷型芯的排气边孔的成形方法如下：
硅基单晶陶瓷料，采用美国进口MPI设备压制，压制参数：芯料温度105℃；合模压力625psi；注射压力50bar；保压时间25S；流量32％；
烧结：200℃入炉，升温至1185℃保温6小时后随炉冷却；
强化：将烧结后的陶瓷型芯放入硅酸乙酯加固剂中浸渍，3.5小时取出，放在芯盒内自干，时间不少于20小时，再放入氨干箱内氨干35分钟。
陶瓷型芯扰流柱气膜孔的成形：采用Smart CNC 500E-DRTD设备进行数控编程加工成形，将成形好的陶瓷型芯放入专用的夹具并装夹好，设备的工艺参数设置如下：
主轴转速15000转/分；
进给速度99mm/min；
z向每刀深度0.1mm。
实施例3
本发明铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，包括以下步骤：
第一步、对比图1(a)，图1(b)，图2(a)，图2(b)，使用MPI压制设备将硅基单晶陶瓷料压制成陶瓷型芯素坯，陶瓷型芯的排气边扰流柱孔未在模具设计制造的过程中制得；压制过程中，芯料温度110℃；合模压力650psi；注射压力55bar；保压时间27S；流量35％；
第二步、对制得的陶瓷型芯素坯进行烧结；烧结过程中，在200℃入炉，升温至1190℃，保温6小时后随炉冷却；
第三步、将烧结后的陶瓷型芯素坯放入硅酸乙酯加固剂中浸渍4小时进行强化成形，然后放在芯盒内自干不少于20个小时，然后再放入氨干箱内氨干40分钟。；
第四步、在成形好的陶瓷型芯上通过Smart CNC 500E-DRTD数控设备在成形好的陶瓷型芯上加工陶瓷型芯扰流柱孔，使用夹具装夹固定陶瓷型芯，加工参数如下：
主轴转速15100转/分；
进给速度100mm/min；
z向每刀深度0.11mm。

Claims (8)

1.一种铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、使用硅基单晶陶瓷料压制陶瓷型芯素坯；压制过程中，芯料温度100℃～110℃；合模压力600psi～650psi；注射压力45bar～55bar；保压时间23S～27S；
第二步、对制得的陶瓷型芯素坯进行烧结；烧结过程中，在200℃入炉，升温至1180℃～1190℃，保温后随炉冷却；
第三步、将烧结后的陶瓷型芯素坯放入加固剂中浸渍3～4小时进行强化成形，充分干燥；
第四步、在成形好的陶瓷型芯上通过数控设备加工陶瓷型芯扰流柱孔。
2.根据权利要求1所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于：所述第二步烧结过程中保温6小时之后随炉冷却。
3.根据权利要求1所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于：所述的第一步中使用陶瓷型芯压制设备将硅基单晶陶瓷料压制成陶瓷型芯素坯。
4.根据权利要求1所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于：所述的第三步中加固剂采用硅酸乙酯。
5.根据权利要求1所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于，所述的第三步中的干燥过程为：将加固剂中浸渍后的陶瓷型芯素坯放在芯盒内自干不少于20个小时，然后再放入氨干箱内氨干30分钟～40分钟。
6.根据权利要求1所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于，所述的第四步中采用Smart CNC 500E-DRTD数控设备在成形好的陶瓷型芯上加工陶瓷型芯扰流柱孔，使用夹具装夹固定陶瓷型芯，加工参数如下：
主轴转速 14900转/分～15100转/分；
进给速度 98mm/min～100mm/min；
z向每刀深度 0.09mm～0.11mm。
7.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于，所述的陶瓷型芯排气边的厚度小于0.5mm。
8.根据权利要求1至6中任意一项权利要求所述铸造单晶叶片用陶瓷型芯扰流柱孔的成形方法，其特征在于：叶片材料为IC10合金或DD5合金。
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