CN106583695B - 一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置和脱芯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置和脱芯方法，属于高温合金铸件技术领域。脱芯装置主体部分由耐压釜体和反应料桶组成。氮气压缩机和氮气储罐用于脱芯装置的增压、泄压及气体回收，加热线圈用于脱芯装置的升温，压力调节器用于提供脱芯装置所需的交变高压，气体流量调节器用于控制各管道内气体流量和压力。使用浓度为55‑80％的KOH水溶液作脱芯液，脱芯温度350‑410℃。型芯脱出过程中施加15‑25MPa的交变压力或施加22‑25MPa的恒定压力。本发明脱芯装置和脱芯方法可顺利脱出燃气轮机涡轮叶片中的氧化铝基陶瓷型芯，也可脱出其它高温合金铸件中的氧化铝基陶瓷型芯。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金铸件技术领域，具体涉及一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置和脱芯方法，本发明装置和方法适用于脱出具有复杂内腔的燃气轮机叶片中的氧化铝基陶瓷型芯，也适用于脱出其它具有复杂内腔的高温合金铸件中的氧化铝基陶瓷型芯。
背景技术
近几年来，我国航空、船舶、发电等工业的快速发展，对先进燃气轮机的热效率提出了越来越高的要求，提高涡轮前进口温度是提高燃气轮机热效率的重要途径之一，这也要求叶片的耐温能力不断提高。提高叶片耐温能力的途径主要有三种：材料的合金化和凝固技术、高温防护涂层技术、先进冷却技术。预制陶瓷型芯，在叶片内形成复杂气冷内通道，进而改善叶片的冷却结构，提高冷却效率，成为提高叶片耐温能力的重要途径。氧化铝基陶瓷型芯由于具有较高的高温强度、较好的化学稳定性，特别适用于大尺寸空心气冷叶片的生产。随着先进燃气轮机涡轮前进口温度的提高，叶片冷却方式由传统的对流冷却、冲击冷却、气膜冷却发展为发散冷却和层板冷却，叶片内腔和陶瓷型芯的结构也日趋复杂。
氧化铝基陶瓷型芯以Al2O3为基体材料，其化学性能稳定，在常温下不与酸碱腐蚀液发生反应，但型芯脱出较为困难，脱芯技术也成为制约氧化铝基陶瓷型芯广泛使用的一大瓶颈。目前普遍使用的脱芯工艺主要是高温碱溶液脱芯法和熔融碱脱芯法，根据具体工艺要求，型芯脱出过程中需施加一定压力。
美国专利(专利号：US5778963)公开了一种碱溶液喷射脱芯工艺，碱溶液为浓度20％～50％的NaOH或KOH溶液，温度为200℉～600℉(93℃～316℃)。脱芯时把带有陶瓷型芯的叶片固定，碱液喷嘴对准叶片根部的陶瓷型芯，喷嘴内径为0.508mm～1.78mm，从喷嘴喷射出的碱溶液的压力为5000～10000psi(340～680atm)。碱溶液周期性地喷出冲击溶解陶瓷型芯，射流的脉冲时间间隔为1s～10s，碱溶液对型芯的高压冲击可以确保有效地溶解陶瓷型芯。经喷射冲击后，型芯中的反应产物可使用高压水蒸气吹出，脱芯速率较快。此工艺不足之处在于射流射出的碱溶液压力极高，喷嘴寿命短，对设备性能要求较高。英国专利(专利号：GB6739380)公开了一种正负压循环交替脱芯工艺，脱芯反应在一封闭体系中进行。公开的一组脱芯工艺为：采用浓度为85％的KOH水溶液为脱芯液，将脱芯液加热至220-250℃，对系统抽真空，使其压力由1atm降到0.2～0.45atm，脱芯液沸腾，产生气相搅动效果，将脱芯产物冲出。保持一段时间后，加压使压力恢复到1atm。在整个脱芯过程中如此反复交替改变系统的压力，使脱芯液处于过热或沸腾状态，脱出陶瓷型芯。在脱芯液中添加活性剂(NaCl或KCl)，可以提高脱芯效率。
氧化铝基陶瓷型芯脱芯困难，型芯脱出过程往往需要较高的温度和压力，脱芯时间较长，对脱芯设备的性能要求(如耐高温、耐高压、耐腐蚀能力)也较为严苛。研究氧化铝基陶瓷型芯脱芯技术对于型芯的广泛使用具有十分重要的意义。
发明内容
针对氧化铝基陶瓷型芯脱芯困难的问题以及现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置和脱芯方法，通过采用本发明特定装置及高温KOH溶液(脱芯碱液)脱出铸件中的氧化铝陶瓷型芯，碱液在高温高压下具有强渗透性，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，结构得到简化。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置，该脱芯装置包括装置主体部分、压力调节器、氮气压缩机和氮气储罐；其中：
所述装置主体部分包括耐压釜体、反应料桶和加热线圈；所述反应料桶中置有脱芯碱液和铸件，所述加热线圈置于反应料桶底部，用于对反应料桶加热；所述反应料桶和加热线圈置于耐压釜体中；
所述氮气储罐上接有主管道，主管道的末端分成两条支路，即支路Ⅰ和支路Ⅱ，分别连接反应料桶和耐压釜体；所述主管道上还分出支路Ⅲ，支路Ⅲ上连接压力调节器，主管道与支路Ⅲ相交于连接点A；在主管道上在连接点A与氮气储罐之间还连接与之相并列的支路Ⅳ，支路Ⅳ上连接氮气压缩机；所述主管道和支路Ⅲ上均设有阀门，支路Ⅳ上氮气压缩机的两端各设有一个阀门，主管道上还设有放空阀门；
所述支路Ⅰ和支路Ⅱ上分别设置气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ；所述气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ用于控制各管道内氮气流量和压力，保证耐压釜体和反应料桶之间压力平衡。
所述装置主体部分还包括温度传感器、压力传感器A和压力传感器B，其中：所述温度传感器从料桶底部插入脱芯碱液中，用于监测脱芯碱液的温度；所述反应料桶上装有压力传感器A，用于监测反应料桶中的压力；所述耐压釜体中装有压力传感器B，用于监测耐压釜体中的压力。
所述氮气储罐用于增压介质氮气的储存和回收，其上装有压力传感器C，用于监测罐内气体压力。
所述压力调节器分别与耐压釜体和反应料桶相连通，压力调节器容积可变，用于为脱芯装置提供所需要交变压力。
本发明还提供一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯方法，该脱芯方法是利用所述脱芯装置脱去铸件内的氧化铝基陶瓷型芯，脱芯过程中：使用350-410℃的浓度55-80wt.％的KOH水溶液为脱芯碱液，型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力或者施加22-25MPa的恒定压力。
所述型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力是指：在型芯脱出过程中，按照“增压—降压”的方式依次往复循环施加压力，在增压或降压过程中，压力变化速率为0.5-1.0MPa/min。
本发明通过施加交变压力进行型芯脱出的过程包括如下步骤：
(a)将铸件放入反应料桶中，并加入脱芯碱液；
(b)打开主管道上的阀门，开启气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ；氮气由氮气储罐直接进入反应料桶和耐压釜体中，至氮气储罐、反应料桶和耐压釜体中压力平衡后，关闭主管道上的阀门；
(c)打开支路Ⅳ上的阀门，开启氮气压缩机，从氮气储罐中流出的氮气由氮气压缩机增压后，经气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ进入反应料桶和耐压釜体中，至反应料桶和耐压釜体中压力达到设定值后，关闭氮气压缩机及支路Ⅳ上的阀门；
(d)加热线圈通电，加热反应料桶，至桶中温度达到350-410℃后，开始保温；
(e)反应0.5-1h后，增加脱芯体系压力，启动压力调节器，打开支路Ⅲ上的阀门，实现脱芯体系的增压；反应0.5-1h后，降低体系压力；反应0.5-1h后，再次增加体系压力，依次往复循环；在增压及降压过程中，通过气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ控制压力变化速率为0.5-1.0MPa/min；
(f)步骤(e)中总反应时间达到8-12h后，关闭压力调节器及支路Ⅲ上的阀门；加热线圈断电，脱芯体系自然冷却；
(g)脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开主管道上阀门，反应料桶和耐压釜体中的氮气回流至氮气储罐中，至氮气储罐、反应料桶、耐压釜体中压力平衡后，关闭主管道上阀门；打开支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机，反应料桶、耐压釜体中的氮气经氮气压缩机增压后回收至氮气储罐中，至反应料桶、耐压釜体中的气体压力小于0.5MPa时，关闭支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机；打开放空阀门，反应料桶、耐压釜体中的剩余气体排空；
(h)打开耐压釜体，拆卸反应料桶，取出铸件，置于45-80℃的水中冲洗，观察脱芯效果；
(i)重复步骤(a)-(h)，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
本发明通过施加恒定压力进行型芯脱出的过程包括如下步骤：
(a)将铸件放入反应料桶中，并加入脱芯碱液；
(b)打开主管道上的阀门，氮气由氮气储罐经气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ直接进入反应料桶和耐压釜体中，至氮气储罐、反应料桶、耐压釜体中压力平衡后，关闭主管道上的阀门；
(c)打开支路Ⅳ上的阀门，开启氮气压缩机，从氮气储罐中流出的氮气由氮气压缩机增压后，经气体流量调节器Ⅰ和气体流量调节器Ⅱ进入反应料桶和耐压釜体中，至反应料桶和耐压釜体中压力达到设定值22-25MPa后，关闭氮气压缩机及支路Ⅳ上的阀门；
(d)加热线圈通电，加热反应料桶，至桶中温度达到350-410℃后，加热线圈开始处于保温状态；
(e)反应8-10h后，加热线圈断电，脱芯体系自然冷却；
(f)脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开主管道上的阀门，反应料桶和耐压釜体中的氮气回流至氮气储罐中，至氮气储罐、反应料桶、耐压釜体中压力平衡后，关闭主管道上的阀门；打开支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机，反应料桶、耐压釜体中的氮气经氮气压缩机增压后回收至氮气储罐中，至反应料桶、耐压釜体中的气体压力小于0.5MPa时，关闭支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机；打开放空阀门，反应料桶、耐压釜体中的剩余气体排空；
(g)打开耐压釜体，拆卸反应料桶，取出铸件，置于45-80℃的水中冲洗，观察脱芯效果；
(h)重复步骤(a)-(g)，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
本发明设计原理如下：
本发明使用350-410℃的KOH水溶液为脱芯液，型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力(即“增压—降压—增压”循环)，交变速率为0.5-1.0MPa/min；或施加22-25MPa的恒定压力。随着温度的升高，碱液的扩散和传质速率增快，有利于腐蚀反应的发生。当脱芯体系温度升高至350-410℃时，施加交变高压或恒定高压。交变高压脱芯的主要原理为：增压过程中，脱芯液面上方的高压环境增强了脱芯碱液的渗透性能，改善了碱液与陶瓷型芯的润湿效果，碱液便能较快渗入陶瓷型芯孔隙中，随着压力的增大，型芯与碱液接触面积增大，提高脱芯反应速率。在随后的降压过程中，碱液冲刷型芯表面堆积的反应产物，暴露出未反应的陶瓷型芯表面，促进腐蚀反应的进一步进行。再次增压过程中，碱液浸渗能力提高，与型芯润湿效果增强，提高反应速率。
本发明型芯脱出过程中亦可施加22-25MPa恒定压力，恒压脱芯原理类似于前文“增压过程”的脱芯机理。
本发明的优点在于：
1.简化设备结构：使用高温KOH溶液脱出铸件中的氧化铝陶瓷型芯，碱液在高温高压下具有强渗透性，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，结构得到简化。
2.降低设备成本：微机系统控制的气体流量调节器，可随时调节各管路中的氮气流量和压力，保证反应料桶和耐压釜体之间的压力平衡，反应料桶为非承压部件、耐压釜体为非耐蚀部件、减少了设备的选材、加工难度。
3.节约试验资源：“增压-泄压”的工艺过程控制，可保证氮气的回收再利用，节约资源。
附图说明
图1为本发明高温高压脱芯装置结构图。
图中：1-放空阀门；2-阀门A；3-阀门B；4-氮气压缩机；5-阀门C；6-压力传感器C；7-氮气储罐；8-压力调节器；9-阀门D；10-气体流量调节器Ⅰ；11-压力传感器A；12-耐压釜体；13-反应料桶；14-压力传感器B；15-脱芯碱液；16-铸件；17-加热线圈；18-温度传感器；19-气体流量调节器Ⅱ。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
如图1所示，本发明脱芯装置包括装置主体部分、气体流量调节器Ⅰ10、气体流量调节器Ⅱ19、压力调节器8、氮气压缩机4和氮气储罐7；其中：
所述装置主体部分(脱芯体系)包括耐压釜体12、反应料桶13、加热线圈17、温度传感器18、压力传感器A11和压力传感器B14；所述反应料桶13中置有脱芯碱液15和铸件16，所述加热线圈17置于反应料桶13底部，用于对反应料桶13加热；所述温度传感器18从料桶底部插入脱芯碱液15中，用于监测脱芯碱液15的温度；所述反应料桶13上装有压力传感器A11，用于监测反应料桶13中的压力；所述耐压釜体12中装有压力传感器B14，用于监测耐压釜体12中的压力；所述反应料桶13和加热线圈17置于耐压釜体12中。
所述氮气储罐7用于增压介质氮气的储存和回收，其上装有压力传感器C6，用于监测罐内气体压力。
所述氮气储罐7上接有主管道Ⅰ，主管道的末端分成支路Ⅰ和支路Ⅱ，分别连接反应料桶13和耐压釜体12；所述主管道上还分出支路Ⅲ，支路Ⅲ上连接压力调节器8，主管道与支路Ⅲ相交于连接点A；在主管道上在连接点A与氮气储罐7之间还连接与主管道相并列的支路Ⅳ，支路Ⅳ上连接氮气压缩机4。
所述支路Ⅰ和支路Ⅱ上分别设置气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19。
所述支路Ⅲ与主管道上分别设置阀门D9和阀门A2，支路Ⅳ上氮气压缩机4的两端分别设置阀门B3和阀门C5；所述主管道上还设有放空阀门1。
所述氮气压缩机4用于实现脱芯装置的增压和泄压。氮气压缩机4与氮气储罐7和耐压釜体12、反应料桶13连通，在脱芯设备的增压和泄压阶段，氮气压缩机4可实现氮气在氮气储罐7和耐压釜体12、反应料桶13之间的往复流通，以改变脱芯体系压力。
所述压力调节器8分别与耐压釜体12和反应料桶13相连通，压力调节器8容积可变，用于为脱芯装置提供所需要交变压力。在增压阶段，压力调节器8通过气缸容积压缩将氮气充至耐压釜体12和反应料桶13；在降压阶段，压力调节器通过容积增大将耐压釜体12和反应料桶13中的氮气回收至气缸。
所述气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19由微机系统控制，用于控制各增压、降压阶段各管道内氮气流量和压力，保证耐压釜体12和反应料桶13之间压力平衡。
本发明脱芯设备增压分为两个阶段。第一阶段指氮气储罐7与耐压釜体12和反应料桶13间直接的气体交换，氮气由氮气储罐直接流入脱芯设备主体，为脱芯体系增压；第二阶段指耐压釜体12和反应料桶13与氮气储罐7压力平衡后，由氮气压缩机4将氮气储罐7中的气体增压后输入脱芯设备中，实现脱芯体系的增压。各增压阶段，气体流量调节器10控制各管路中的氮气流量和压力，保证反应料桶和耐压釜体之间的压力平衡。
本发明脱芯设备泄压分为一级泄压、二级泄压和三级泄压。一级泄压指将耐压釜体12和反应料桶13中的氮气直接回流至氮气储罐7中，直至三者压力平衡；二级泄压是通过氮气压缩机4将耐压釜体12和反应料桶13中的氮气增压后输入氮气储罐7中；三级泄压是将耐压釜体12和反应料桶13中剩余的氮气经放空阀门1排空。一级泄压和二级泄压过程可实现氮气的回收再利用。各泄压阶段，气体流量调节器控制各管路中的氮气流量和压力，保证反应料桶和耐压釜体之间的压力平衡。
压力调节器8提供脱芯设备所需的交变压力。增压时，压力调节器8气缸容积压缩，将氮气充至耐压釜体12和反应料桶13；降压时，压力调节器容积增大，将耐压釜体12和反应料桶13中的氮气回收至气缸。各增压、降压阶段，气体流量调节器控制各管路中的氮气流量和压力，调节压力变化速率为0.5-1.0MPa/min(即，增压时，每分钟增加的压力值为0.5-1.0MPa；降压时，每分钟降低的压力值为0.5-1.0MPa；)，同时保证反应料桶13和耐压釜体12之间的压力平衡。
脱芯设备使用前，所有阀门均应处于关闭状态。
本发明脱芯方法是利用上述脱芯装置脱去铸件内的氧化铝基陶瓷型芯，脱芯过程中：使用350-410℃的浓度55-80wt.％的KOH水溶液为脱芯碱液，型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力或者施加22-25MPa的恒定压力。
所述型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力是指：在型芯脱出过程中，按照“增压—降压”的方式往复循环施加压力，在增压或降压过程中，压力变化速率为0.5-1.0MPa/min。本发明通过施加交变压力进行型芯脱出的过程包括如下步骤：
(a)将铸件16放入反应料桶13中，并加入脱芯碱液15；
(b)打开主管道上的阀门A2，开启气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19；氮气由氮气储罐7直接进入反应料桶13和耐压釜体12中，至氮气储罐7、反应料桶13和耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2；
(c)依次打开支路Ⅳ上的阀门C5和阀门B3，开启氮气压缩机4，从氮气储罐7中流出的氮气由氮气压缩机4增压后，经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19进入反应料桶13和耐压釜体12中，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到设定值(15MPa)后，关闭氮气压缩机4及支路Ⅳ上的阀门C5和阀门B3；
(d)加热线圈17通电，加热反应料桶13，至桶中温度达到350-410℃后，开始保温；
(e)反应0.5-1h后，增加脱芯体系压力(即反应料桶13和耐压釜体12中压力)，启动压力调节器8，打开支路Ⅲ上的阀门D9，实现脱芯体系的增压(增至25MPa)；反应0.5-1h后，降低体系压力(降至15MPa)；反应0.5-1h后，再次增加体系压力(增至25MPa)，依次往复循环；在增压及降压过程中，通过气体流量调节器10控制压力变化速率为0.5-1.0MPa/min；
(f)步骤(e)中总反应时间达到8-12h后，关闭压力调节器8及支路Ⅲ上的阀门D9；加热线圈17断电，脱芯体系自然冷却；
(g)脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开阀门A2，反应料桶13和耐压釜体12中的氮气回流至氮气储罐7中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2；打开阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4，反应料桶13、耐压釜体12中的氮气经氮气压缩机4增压后回收至氮气储罐7中，至反应料桶13、耐压釜体12中的气体压力小于0.5MPa时，关闭阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4；打开放空阀门1，反应料桶13、耐压釜体12中的剩余气体排空；
(h)打开耐压釜体12，拆卸反应料桶13，取出铸件16，置于45-80℃的水中冲洗，观察脱芯效果；
(i)重复步骤(a)-(h)，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
本发明通过施加恒定压力进行型芯脱出的过程包括如下步骤：
(a)将铸件16放入反应料桶13中，并加入脱芯碱液15；
(b)打开主管道上的阀门A2，氮气由氮气储罐7经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19直接进入反应料桶13和耐压釜体12中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2；
(c)依次打开支路Ⅳ上的阀门C5和阀门B3，开启氮气压缩机4，从氮气储罐7中流出的氮气由氮气压缩机4增压后，经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19进入反应料桶13和耐压釜体12中，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到设定值22-25MPa后，关闭氮气压缩机4及支路Ⅳ上的阀门C3和阀门B5；
(d)加热线圈17通电，加热反应料桶13，至桶中温度达到350-410℃后，加热线圈开始处于保温状态；
(e)反应8-10h后，加热线圈17断电，脱芯体系自然冷却；
(f)脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开阀门A2，反应料桶13和耐压釜体12中的氮气回流至氮气储罐7中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2；打开阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4，反应料桶13、耐压釜体12中的氮气经氮气压缩机4增压后回收至氮气储罐7中，至反应料桶13、耐压釜体12中的气体压力小于0.5MPa时，关闭阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4；打开放空阀门1，反应料桶13、耐压釜体12中的剩余气体排空；
(g)打开耐压釜体12，拆卸反应料桶13，取出铸件16，置于45-80℃的水中冲洗，观察脱芯效果；
(h)重复步骤(a)-(g)，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
实施例1
本实施例是利用上述脱芯装置，通过高温、交变高压脱芯，过程如下：
将铸件放入反应料桶13中，并加入质量浓度为55％的KOH溶液150kg，反应料桶安装于耐压釜体12内。
打开阀门A2，氮气由氮气储罐7经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19直接进入反应料桶13和耐压釜体12中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2。
依次打开阀门C5、阀门B3，开启氮气压缩机4，从氮气储罐7中流出的氮气，由氮气压缩机4增压后，经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19进入反应料桶13和耐压釜体12中，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到15MPa后，关闭氮气压缩机4及阀门C5、阀门B3。
加热线圈17通电，加热反应料桶13，至桶中温度达到350℃后，开始保温。
反应0.5h后，启动压力调节器8，打开阀门D9，压力调节器为脱芯体系增压，增压速率为0.5MPa/min，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到25MPa后停止增压；反应0.5h后，使用压力调节器8为脱芯体系降压，降压速率为0.5MPa/min，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到15MPa后停止降压；反应0.5h后，再次增加体系压力至25MPa，增压速率为0.5MPa/min，依次循环。
反应8h后，关闭压力调节器8及阀门D9。加热线圈17断电，脱芯体系自然冷却。
脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开阀门A2，反应料桶13和耐压釜体12中的氮气经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19回流至氮气储罐7中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2；打开阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4，反应料桶13、耐压釜体12中的氮气经氮气压缩机4增压后回收至氮气储罐7中，至反应料桶13、耐压釜体12中的气体压力小于0.5MPa时，关闭阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4；打开阀门A1，反应料桶13、耐压釜体12中的剩余气体排空。
打开耐压釜体12，拆卸反应料桶13，取出铸件，置于50℃的水中冲洗，观察脱芯效果。
重复上述步骤，直至铸件中的陶瓷型芯全部脱出。
用实施例1所述的脱芯方法，脱出某高温合金空心叶片中的氧化铝基陶瓷型芯，该型芯尺寸较大且壁厚不均，脱芯较为困难。经2-3个循环，陶瓷型芯可全部脱出。
实施例2
本实施例是利用上述脱芯装置，通过高温、交变高压脱芯，过程如下：
将铸件放入反应料桶13中，并加入质量浓度为70％的KOH溶液175kg，反应料桶安装于耐压釜体12内。
打开阀门A2，氮气由氮气储罐7经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19直接进入反应料桶13和耐压釜体12中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2。
依次打开阀门C5、阀门B3，开启氮气压缩机4，从氮气储罐7中流出的氮气，由氮气压缩机4增压后，经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调C节器Ⅱ19进入反应料桶13和耐压釜体12中，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到20MPa后，关闭氮气压缩机4及阀门C5、阀门B3。
加热线圈17通电，加热反应料桶13，至桶中温度达到385℃后，开始保温。
反应1h后，启动压力调节器8，打开阀门D9，压力调节器为脱芯体系增压，增压速率为1MPa/min，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到25MPa后停止增压；反应1h后，使用压力调节器8为脱芯体系降压，降压速率为1MPa/min，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到20MPa后停止降压；反应1h后，再次增加体系压力至25MPa，增压速率为1MPa/min，依次循环。
反应10h后，关闭压力调节器8及阀门D9。加热线圈17断电，脱芯体系自然冷却。
脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开阀门A2，反应料桶13和耐压釜体12中的氮气经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19回流至氮气储罐7中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2；打开阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4，反应料桶13、耐压釜体12中的氮气经氮气压缩机4增压后回收至氮气储罐7中，至反应料桶13、耐压釜体12中的气体压力小于0.5MPa时，关闭阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4；打开阀门A1，反应料桶13、耐压釜体12中的剩余气体排空。
打开耐压釜体12，拆卸反应料桶13，取出铸件，置于65℃的水中冲洗，观察脱芯效果。
重复上述步骤，直至铸件中的陶瓷型芯全部脱出。
用实施例2所述的脱芯方法，脱出某燃气轮机Ⅰ级涡轮叶片中的氧化铝基陶瓷型芯，该型芯具有复杂的空间网状结构，脱芯时碱液不易与此处陶瓷型芯接触。经2-3次循环，陶瓷型芯可全部脱出。
实施例3
本实施例是利用上述脱芯装置，通过高温、恒定高压脱芯，过程如下：
将铸件放入反应料桶13中，并加入质量浓度为80％的KOH溶液180kg，反应料桶13安装在耐压釜体12中。
打开阀门A2，氮气由氮气储罐7经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19直接进入反应料桶13和耐压釜体12中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门A2。
依次打开阀门C5、阀门B3，开启氮气压缩机4，从氮气储罐7中流出的氮气，由氮气压缩机4增压后，经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19进入反应料桶13和耐压釜体12中，至反应料桶13和耐压釜体12中压力达到23MPa后，关闭氮气压缩机4及阀门C5、阀门B3。
加热线圈17通电，加热反应料桶13，至桶中温度达到410℃后，加热线圈开始处于保温状态；
反应8h后，加热线圈17断电，脱芯体系自然冷却；
脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开阀门A2，反应料桶13和耐压釜体12中的氮气经气体流量调节器Ⅰ10和气体流量调节器Ⅱ19回流至氮气储罐7中，至氮气储罐7、反应料桶13、耐压釜体12中压力平衡后，关闭阀门2；打开阀门3、阀门5及氮气压缩机4，反应料桶13、耐压釜体12中的氮气经氮气压缩机4增压后回收至氮气储罐7中，至反应料桶13、耐压釜体12中的气体压力小于0.5MPa时，关闭阀门B3、阀门C5及氮气压缩机4；打开阀门A1，反应料桶13、耐压釜体12中的剩余气体排空。
打开耐压釜体12，拆卸反应料桶13，取出铸件，置于65℃的热水中冲洗，观察脱芯效果；
重复步骤a-g，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
用实施例3所述的脱芯方法，脱出某燃气轮机Ⅱ级涡轮叶片中的氧化铝基陶瓷型芯，该型芯尺寸较大，型芯肋柱粗，壁厚差异大，且具有复杂的空间网格状结构，脱芯时碱液不易与此处型芯接触。经3-4次循环，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 (8)
1.一种氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置，其特征在于：该脱芯装置包括装置主体部分、压力调节器(8)、氮气压缩机(4)和氮气储罐(7)；其中：
所述装置主体部分包括耐压釜体(12)、反应料桶(13)和加热线圈(17)；所述反应料桶(13)中置有脱芯碱液(15)和铸件(16)，所述加热线圈(17)置于反应料桶(13)底部，用于对反应料桶(13)加热；所述反应料桶(13)和加热线圈(17)置于耐压釜体(12)中；
所述氮气储罐(7)上接有主管道，主管道的末端分成两条支路，即支路Ⅰ和支路Ⅱ，分别连接反应料桶(13)和耐压釜体(12)；所述主管道上还分出支路Ⅲ，支路Ⅲ上连接压力调节器(8)，主管道与支路Ⅲ相交于连接点A；在主管道上在连接点A与氮气储罐(7)之间还连接与之相并列的支路Ⅳ，支路Ⅳ上连接氮气压缩机(4)；所述主管道和支路Ⅲ上均设有阀门，支路Ⅳ上氮气压缩机(4)的两端各设有一个阀门，主管道上还设有放空阀门(1)；
所述支路Ⅰ和支路Ⅱ上分别设置气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)；所述气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)用于控制各管道内氮气流量和压力，保证耐压釜体(12)和反应料桶(13)之间压力平衡。
2.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置，其特征在于：所述装置主体部分还包括温度传感器(18)、压力传感器A(11)和压力传感器B(14)，其中：所述温度传感器(18)从料桶底部插入脱芯碱液(15)中，用于监测脱芯碱液(15)的温度；所述反应料桶(13)上装有压力传感器A(11)，用于监测反应料桶(13)中的压力；所述耐压釜体(12)中装有压力传感器B(14)，用于监测耐压釜体(12)中的压力。
3.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置，其特征在于：所述氮气储罐(7)用于增压介质氮气的储存和回收，其上装有压力传感器C(6)，用于监测罐内气体压力。
4.根据权利要求1所述的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯装置，其特征在于：所述压力调节器(8)分别与耐压釜体(12)和反应料桶(13)相连通，压力调节器(8)容积可变，用于为脱芯装置提供所需要交变压力。
5.利用权利要求1所述脱芯装置进行的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯方法，其特征在于：该脱芯方法是利用所述脱芯装置脱去铸件内的氧化铝基陶瓷型芯，脱芯过程中：使用350-410℃的浓度55-80wt.％的KOH水溶液为脱芯碱液，型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力或者施加22-25MPa的恒定压力。
6.根据权利要求5所述的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯方法，其特征在于：所述型芯脱出过程中施加15-25MPa交变压力是指：在型芯脱出过程中，按照“增压—降压”的方式依次往复循环施加压力，在增压或降压过程中，压力变化速率为0.5-1.0MPa/min。
7.根据权利要求5或6所述的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯方法，其特征在于：通过施加交变压力进行型芯脱出的过程包括如下步骤：
(a)将铸件(16)放入反应料桶(13)中，并加入脱芯碱液(15)；
(b)打开主管道上的阀门，开启气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)；氮气由氮气储罐(7)直接进入反应料桶(13)和耐压釜体(12)中，至氮气储罐(7)、反应料桶(13)和耐压釜体(12)中压力平衡后，关闭主管道上的阀门；
(c)打开支路Ⅳ上的阀门，开启氮气压缩机(4)，从氮气储罐(7)中流出的氮气由氮气压缩机(4)增压后，经气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)进入反应料桶(13)和耐压釜体(12)中，至反应料桶(13)和耐压釜体(12)中压力达到设定值后，关闭氮气压缩机(4)及支路Ⅳ上的阀门；
(d)加热线圈(17)通电，加热反应料桶(13)，至桶中温度达到350-410℃后，开始保温；
(e)反应0.5-1h后，增加脱芯体系压力，启动压力调节器(8)，打开支路Ⅲ上的阀门，实现脱芯体系的增压；反应0.5-1h后，降低体系压力；反应0.5-1h后，再次增加体系压力，依次往复循环；在增压及降压过程中，通过气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)控制压力变化速率为0.5-1.0MPa/min；
(f)步骤(e)中总反应时间达到8-12h后，关闭压力调节器(8)及支路Ⅲ上的阀门；加热线圈(17)断电，脱芯体系自然冷却；
(g)脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开主管道上阀门，反应料桶(13)和耐压釜体(12)中的氮气回流至氮气储罐(7)中，至氮气储罐(7)、反应料桶(13)、耐压釜体(12)中压力平衡后，关闭主管道上阀门；打开支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机(4)，反应料桶(13)、耐压釜体(12)中的氮气经氮气压缩机(4)增压后回收至氮气储罐(7)中，至反应料桶(13)、耐压釜体(12)中的气体压力小于0.5MPa时，关闭支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机(4)；打开放空阀门(1)，反应料桶(13)、耐压釜体(12)中的剩余气体排空；
(h)打开耐压釜体(12)，拆卸反应料桶(13)，取出铸件(16)，置于45-80℃的水中冲洗，观察脱芯效果；
(i)重复步骤(a)-(h)，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
8.根据权利要求5所述的氧化铝基陶瓷型芯用高温高压脱芯方法，其特征在于：通过施加恒定压力进行型芯脱出的过程包括如下步骤：
(a)将铸件(16)放入反应料桶(13)中，并加入脱芯碱液(15)；
(b)打开主管道上的阀门，氮气由氮气储罐(7)经气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)直接进入反应料桶(13)和耐压釜体(12)中，至氮气储罐(7)、反应料桶(13)、耐压釜体(12)中压力平衡后，关闭主管道上的阀门；
(c)打开支路Ⅳ上的阀门，开启氮气压缩机(4)，从氮气储罐(7)中流出的氮气由氮气压缩机(4)增压后，经气体流量调节器Ⅰ(10)和气体流量调节器Ⅱ(19)进入反应料桶(13)和耐压釜体(12)中，至反应料桶(13)和耐压釜体(12)中压力达到设定值22-25MPa后，关闭氮气压缩机(4)及支路Ⅳ上的阀门；
(d)加热线圈(17)通电，加热反应料桶(13)，至桶中温度达到350-410℃后，加热线圈开始处于保温状态；
(e)反应8-10h后，加热线圈(17)断电，脱芯体系自然冷却；
(f)脱芯碱液温度降至120℃以下时，打开主管道上的阀门，反应料桶(13)和耐压釜体(12)中的氮气回流至氮气储罐(7)中，至氮气储罐(7)、反应料桶(13)、耐压釜体(12)中压力平衡后，关闭主管道上的阀门；打开支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机(4)，反应料桶(13)、耐压釜体(12)中的氮气经氮气压缩机(4)增压后回收至氮气储罐(7)中，至反应料桶(13)、耐压釜体(12)中的气体压力小于0.5MPa时，关闭支路Ⅳ上的阀门及氮气压缩机(4)；打开放空阀门(1)，反应料桶(13)、耐压釜体(12)中的剩余气体排空；
(g)打开耐压釜体(12)，拆卸反应料桶(13)，取出铸件(16)，置于45-80℃的水中冲洗，观察脱芯效果；
(h)重复步骤(a)-(g)，直至铸件中的氧化铝基陶瓷型芯完全脱出。
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