CN108057849A - 一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温合金空心叶片脱除技术领域，涉及一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除方法及设备。将带有陶瓷型芯的空心叶片置于充有碱液的反应釜中，然后将脱芯釜密封；通过抽真空，使脱芯釜内形成负压力环境，即空心叶片中的气体被排出，利用碱液的表面张力作用使碱液快速渗透到空心叶片的空腔内部所有部分，然后通过加热及转动固定装置带动空心叶片使反应加快进行；同时，利用放气阀恢复至正常气压，并升高固定装置在碱液上空转动空心叶片，通过离心作用让反应产物从空腔内部快速甩出，避免反应产物阻碍反应的进行，时刻保证了碱液与陶瓷型芯的接触并使反应效率提高，减少残芯的存在，明显提高陶瓷型芯的脱出速度及效率。

Description

一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除方法及设备

技术领域

本发明属于高温合金空心叶片脱除技术领域，涉及一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除方法，本发明还涉及脱除空心叶片陶瓷型芯的设备。

背景技术

随着航空发动机性能的不断提高，发动机的涡轮进口温度已接近甚至超过涡轮叶片材料的熔点，必须采用气冷方法对叶片进行冷却。在高温合金气冷空心叶片铸造生产过程中，普遍采用陶瓷型芯来形成其复杂内腔结构。由于追求更高的气冷效果，空心叶片的内腔结构日益复杂，陶瓷型芯很难用化学方法完全脱除或脱除效率较低。

对现已公布的专利检索发现，中国专利(公开号CN103752810A)公开一种压力搅拌脱芯法，脱芯液为KOH、NaOH或两者的混合溶液，通过高温及反复升降压力使空心叶片的空腔内部已经反应的废碱液快速排出，同时碱液的周期性沸腾起到良好的搅拌作用，提高脱芯效率。该专利中压力范围0.5～5MPa，高温高压对于脱芯的设备所用材料要求高，造价高且压力的升降变化会给设备运行的稳定性带来隐患。

中国专利(公开号：101229975A)公开了一种熔融碱液脱芯方法，使温度为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，对陶瓷型芯的腐蚀速度较快，但在实际生产中发现铸件也会受到相当程度的腐蚀，严重时铸件彻底报废，且工艺步骤较为复杂。

进一步检索发现中国专利(公开号CN102974767A)公开了一种复合高效陶瓷型芯脱除工艺及设备，该技术通过抽真空方式排出空心叶片中的气体，利用碱液的表面张力作用使碱液快速渗透到空心叶片的空腔内部所有部分，然后通过加热及加高压使反应产物快速进行，同时利用搅拌作用，让反应产物快速扩散到碱液溶液中，保证碱液与陶瓷型芯的接触并使反应效率提高。该专利也用到加高压需要外壳材料要求高，并且还提到一个搅拌装置，搅拌碱液并不能保证空心叶片内腔的反应物随之快速流出，且存在脱芯时间长，效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除方法及设备，可快速的脱除空心叶片中的陶瓷型芯。

本发明所采用的技术手段是，一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除方法，其特征在于，步骤实施如下：

步骤1，将带有陶瓷型芯的空心叶片置于充有碱液的反应釜中，然后将脱芯釜密封，抽真空建立负压环境，使碱液渗透到空心叶片陶瓷型芯的空隙中发生腐蚀反应。

步骤2，通过对反应釜进行加热，加快渗透到陶瓷型芯空隙中的碱液与其发生腐蚀反应，并同时启动旋转控制装置带动叶片进行旋转，使其粘性反应产物脱离反应界面。

步骤3，将脱芯釜内泄压至常压状态，通过旋转桨升高使叶片脱离碱液，并加快旋转速度，产生离心作用，使得空心叶片空隙中的反应物脱离反应界面，然后再降低叶片固定装置使叶片再一次进入碱液。

步骤4，重复步骤1-3，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止。

步骤5，脱芯完成后，从反应釜中取出空心叶片利用酸中和残余碱液，用清水清洗得到空心叶片。

本发明的特征还在于，

步骤1中，碱液为浓度在55％～70wt％％的KOH、NaOH或者两者的混合溶液，负压控制在0.1～0.35Kpa，该过程进行5～15min。

步骤2中，碱液的温度控制在250℃～360℃，在碱液中旋转速度为5-150转/min，该过程进行20～60min。

步骤3中在空气中的旋转速度为5-300转/min，旋转过程进行20～60min。

步骤4进行之前，将步骤1～3重复6次以上，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止。

步骤5中酸为浓度为3％～5wt％％的盐酸。

本发明还提供了所述一种航空用空心叶片中陶瓷型芯脱除的设备，其特征在于，所述设备包括加热设备、温控控制仪器、热电偶、保温壳体、抽真空装置、旋转装置、脱芯釜、反应釜；抽真空装置包括放气针阀、真空泵及压力表；旋转装置包括旋转控制电机、叶片固定装置和旋转桨。

反应釜位于脱芯釜内，反应釜周围设有加热设备，在反应釜外壁和脱芯釜内壁之间，反应釜底面和和脱芯釜底面之间都设有保温壳体；脱芯釜顶端设有脱芯釜盖，脱芯釜盖通过紧固螺栓与脱芯釜密封连接；反应釜顶端设有反应釜盖，反应釜盖通过螺栓、垫圈与反应釜连接；反应釜内设有碱液。

真空泵通过管路与脱芯釜连接。

在真空泵与脱芯釜连接的管路上设有放气针阀及压力表。

旋转桨依次穿过脱芯釜盖、反应釜盖，可以伸入到反应釜内的碱液中，旋转桨顶端与安装在脱芯釜盖上的旋转控制电机连接；旋转桨底端安装有叶片固定装置，带有陶瓷型芯的空心叶片安装在叶片固定装置上。

热电偶依次穿过脱芯釜盖、反应釜盖，伸入到反应釜内的碱液中，热电偶顶端通过线路与温度控制仪器连接。

所述热电偶设有套管。

反应釜、反应釜盖、叶片固定装置、旋转桨、热电偶的套管均采用抗热腐蚀镍基高温合金材料制备而成。

所述叶片固定装置为圆形且边缘带有卡槽，能够安装6个带有陶瓷型芯的空心叶片，装备方式采用卡槽式，外围再用圆环固定。

反应釜易于拆卸和更换，用于提供脱芯反应所需的高温腐蚀环境，但非承压部件。

叶片固定装置是通过旋转桨上下升降，叶片固定装置的旋转连带着空心叶片的旋转，利用旋转离心作用，让反应产物从叶片的空腔内部快速甩出，保证了碱液与陶瓷型芯的时刻接触并反应效率提高，可避免残芯的存在，明显提高陶瓷型芯脱除速度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.使用负压环境，对承压的外壳材料要求不高，可以使用经济实用的不锈钢材料，不会因为要交替正压和负压给设备运行带来安全隐患，并且使用负压环境就可以使碱液进入陶瓷型芯的空隙中，使其与碱液充分反应，并且在叶片转动情况下，可以扩散至型芯内部反应，并冲刷型芯，且又能脱离反应界面保证腐蚀反应的连续性。

2.为了进一步加快反应速度，提高脱芯的效率，升高叶片固定装置脱离碱液并旋转，通过离心作用将反应物从空隙中甩出，然后下降至脱芯碱液中，再一次使碱液重新进入型芯的空隙中与之反应。

3.反应釜和脱芯釜各自独立，脱芯釜材料不锈钢材料承担一定的负压环境，而反应釜使用抗热腐蚀的镍基高温合金材料，避免材料的浪费和选材及加工难度。

附图说明

图1是本发明一种航空用空心叶片中陶瓷型芯脱除的设备的结构示意图。包括1、脱芯釜盖2、紧固螺栓3、反应釜盖4、螺栓5、空心叶片6、叶片固定装置7、热电偶8、加热设备9、反应釜10、保温壳体11、旋转桨12、旋转控制电机13、压力表14、放气针阀15、真空泵16、温度控制仪器17、垫圈18、碱液19、脱芯釜。

图2是脱芯前后空心叶片两端横截面效果对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种航空用空心叶片中陶瓷型芯脱除方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，将带有陶瓷型芯的空心叶片5置于充有碱液的反应釜中，碱液18为浓度55％～70％的KOH、NaOH或者两者的混合溶液，然后将脱芯釜19密封，抽真空建立负压环境，压力控制在0.1～0.35Kpa，使碱液渗透到空心叶片陶瓷型芯的空隙中发生腐蚀反应，该过程进行5～15min。

步骤2，通过对反应釜进行加热，碱液18的温度控制在250℃～360℃，加快渗透到陶瓷型芯空隙中的碱夜18与其发生腐蚀反应，并同时启动旋转控制装置带动空心叶片5进行旋转，旋转速度为5-150转/min，使其粘性反应产物脱离反应界面，该过程进行20～60min。

步骤3，将脱芯釜19内泄压至常压状态，通过旋转桨11升高使空心叶片5脱离碱液18，并加快旋转速度，旋转速度为5-300转/min，产生较大的离心作用，使得空心叶片5空隙中的反应物脱离反应界面，该过程进行20～60min，然后再降低叶片固定装置6使叶片再一次进入碱液18。

步骤4，脱芯完成后，从反应釜9中取出空心叶片5利用浓度为3％～5％盐酸中和残余碱液，用清水清洗得到空心叶片5。

步骤5进行之前，将步骤1～3重复6次以上，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止。

本发明一种航空用空心叶片中陶瓷型芯脱除方法，通过高温及负压力环境使空心叶片的空腔内部与碱液快速发生腐蚀反应，同时利用旋转离心作用使反应产物从空腔中排出，并使空气重新进入叶片空腔内周期性的让碱液与陶瓷型芯进行反应，保证了碱液与陶瓷型芯充分接触并快速的脱除陶瓷型芯。

以下实施例中采用的脱除空心叶片陶瓷型芯的设备如图1所示：由加热设备8、温控控制仪器16、热电偶7和保温壳体10等组成；抽真空装置包括放气针阀14、真空泵15及压力表13；旋转装置包括旋转控制电机12、叶片固定装置6和旋转桨11。脱芯釜19上装有脱芯釜盖1，两者通过紧固螺栓2固定密封；脱芯釜盖1上安装有旋转控制电机12且固定，旋转控制电机12与旋转桨11通过齿轮式连接；旋转桨11中间分为两段便于拆卸，且下端装有叶片固定装置6；脱芯釜19一侧有抽气孔并且安装有放气阀14和压力表13，末端接有真空泵15用于抽负压；脱芯釜19内部有一个加热设备8，为反应釜9进行加热，与脱芯釜19间有保温壳体10进行热量的隔绝；脱芯釜19内部还有一个独立的反应釜9，反应釜9也有反应釜盖3，反应釜盖3通过螺栓4与反应釜9连接，反应釜9是采用抗热腐蚀材料制备而成且可拆卸；反应釜9内部碱液18面以下插有热电偶7并穿过反应釜盖3和脱芯釜盖1与温度控制仪器16连接，监控碱液18的温度变化。

实施例1：

步骤1，将带有陶瓷型芯的空心叶片置于充有浓度为60％碱液的反应釜中，然后将脱芯釜密封，抽真空建立负压为0.1Kpa的环境，使碱液渗透到涡轮空心叶片陶瓷型芯的空隙中发生腐蚀反应，该过程进行10min。

步骤2，通过对反应釜进行加热至300℃，加快渗透到陶瓷型芯空隙中的碱液与其发生腐蚀反应，并同时让叶片固定装置在碱液中进行30转/min的旋转，使其粘性反应产物脱离反应界面，该过程进行30min。

步骤3，脱芯釜内泄压至常压状态，通过旋转桨升高叶片固定装置使叶片脱离碱液，并按60转/min旋转，通过固定装置旋转产生的离心作用，使得空心叶片空隙中的反应物进一步脱离反应界面，该过程进行15min后，再降低固定装置使叶片再一次进入碱液。

将步骤1～3重复6次以上，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止。

步骤4，脱芯完成后，从反应釜中取出空心叶片利用浓度为3％的酸中和残余碱液，用清水清洗得到空心叶片。

实施例2：

步骤1，将带有陶瓷型芯的空心叶片置于充有浓度为65％碱液的反应釜中，然后将脱芯釜密封，抽真空建立负压为0.2Kpa的环境，使碱液渗透到涡轮空心叶片陶瓷型芯的空隙中发生腐蚀反应，该过程进行15min。

步骤2，通过对反应釜进行加热至320℃，加快渗透到陶瓷型芯空隙中的碱液与其发生腐蚀反应，并同时让叶片固定装置在碱液中进行60转/min的旋转，使其粘性反应产物脱离反应界面，该过程进行40min。

步骤3，脱芯釜内泄压至常压状态，通过旋转桨升高叶片固定装置使叶片脱离碱液，并按100转/min进行旋转，通过固定装置旋转产生的离心作用，使得空心叶片空隙中的反应物进一步脱离反应界面，该过程进行20min后，再降低固定装置使叶片再一次进入碱液。

将步骤1～3重复8次以上，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止。

步骤4，脱芯完成后，从反应釜中取出空心叶片利用浓度为4％的酸中和残余碱液，用清水清洗得到空心叶片。

实施例3：

步骤1，将带有陶瓷型芯的空心叶片置于充有浓度为70％碱液的反应釜中，然后将脱芯釜密封，抽真空建立负压为0.3Kpa的环境，使碱液渗透到涡轮空心叶片陶瓷型芯的空隙中发生腐蚀反应，该过程进行15min。

步骤2，通过对反应釜进行加热至350℃，加快渗透到陶瓷型芯空隙中的碱液与其发生腐蚀反应，并同时让叶片固定装置在碱液中进行50转/min的旋转，使其粘性反应产物脱离反应界面，该过程进行60min。

步骤3，脱芯釜内泄压至常压状态，通过旋转桨升高叶片固定装置使叶片脱离碱液，并按150转/min进行旋转，通过固定装置旋转产生的离心作用，使得空心叶片空隙中的反应物进一步脱离反应界面，该过程进行30min后，再降低固定装置使叶片再一次进入碱液。

将步骤1～3重复10次以上，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止。

步骤4，脱芯完成后，从反应釜中取出空心叶片利用浓度为5％的酸中和残余碱液，用清水清洗得到空心叶片。

Claims (10)

1.一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除设备，其特征在于，所述设备包括加热设备、温控控制仪器、热电偶、保温壳体、抽真空装置、旋转装置、脱芯釜和反应釜；抽真空装置包括放气针阀、真空泵及压力表；旋转装置包括旋转控制电机、叶片固定装置和旋转桨；

反应釜位于脱芯釜内，反应釜周围设有加热设备，在反应釜外壁和脱芯釜内壁之间，反应釜底面和和脱芯釜底面之间都设有保温壳体；脱芯釜顶端设有脱芯釜盖，脱芯釜盖通过紧固螺栓与脱芯釜密封连接；反应釜顶端设有反应釜盖，反应釜盖通过螺栓、垫圈与反应釜连接；反应釜内设有碱液；

真空泵通过管路与脱芯釜连接；

旋转桨依次穿过脱芯釜盖、反应釜盖，可以伸入到反应釜内的碱液中，旋转桨顶端与安装在脱芯釜盖上的旋转控制电机连接；旋转桨底端安装有叶片固定装置，带有陶瓷型芯的空心叶片安装在叶片固定装置上；

热电偶依次穿过脱芯釜盖、反应釜盖，伸入到反应釜内的碱液中，热电偶顶端通过线路与温度控制仪器连接。

2.如权利要求1所述的一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除设备，其特征在于，在真空泵与脱芯釜连接的管路上设有放气针阀及压力表。

3.如权利要求1所述的一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除设备，其特征在于，所述热电偶设有套管。

4.如权利要求1所述的一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除设备，其特征在于，反应釜、反应釜盖、叶片固定装置、旋转桨、热电偶的套管均采用抗热腐蚀镍基高温合金材料制备而成。

5.如权利要求1所述的一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除设备，其特征在于，所述叶片固定装置为圆形且边缘带有卡槽，能够安装6个带有陶瓷型芯的空心叶片，装备方式采用卡槽式，外围再用圆环固定。

6.如权利要求1所述的一种航空用空心叶片中陶瓷型芯的脱除设备，其特征在于，叶片固定装置是通过旋转桨上下升降，叶片固定装置的旋转连带着空心叶片的旋转，利用旋转离心作用，让反应产物从叶片的空腔内部快速甩出，保证了碱液与陶瓷型芯的时刻接触并反应效率提高，可避免残芯的存在，明显提高陶瓷型芯脱除速度。

7.使用如权利要求1所述设备脱除航空用空心叶片中陶瓷型芯的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：

步骤1，将带有陶瓷型芯的空心叶片置于充有碱液的反应釜中，然后将脱芯釜密封，抽真空建立负压环境，使碱液渗透到空心叶片陶瓷型芯的空隙中发生腐蚀反应；

步骤2，通过对反应釜进行加热，加快渗透到陶瓷型芯空隙中的碱液与其发生腐蚀反应，并同时启动旋转控制装置带动叶片进行旋转，使其粘性反应产物脱离反应界面；

步骤3，将脱芯釜内泄压至常压状态，通过旋转桨升高使叶片脱离碱液，并加快旋转速度，产生离心作用，使得空心叶片空隙中的反应物脱离反应界面，然后再降低叶片固定装置使叶片再一次进入碱液；

步骤4，重复步骤1-3，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止；

步骤5，脱芯完成后，从反应釜中取出空心叶片利用酸中和残余碱液，用清水清洗得到空心叶片。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤1中，碱液为浓度在55％～70wt％％的KOH、NaOH或者两者的混合溶液，负压控制在0.1～0.35Kpa，该过程进行5～15min。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤2中，碱液的温度控制在250℃～360℃，在碱液中旋转速度为5-150转/min，该过程进行20～60min；步骤3中在空气中的旋转速度为5-300转/min，旋转过程进行20～60min。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤4进行之前，将步骤1～3重复6次以上，直至陶瓷型芯在空心叶片中完全脱除为止；步骤5中酸为浓度为3％～5wt％％的盐酸。