CN111390143A - 一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，包括该方法包括如下步骤：步骤一、脱芯液的配置：脱芯液包含如下质量分数的化学成分：10％～40％的NaOH或KOH或其混合溶液、3％～5％的渗透剂、3％～5％的分散剂、3％～5％的助剂，其余为水；步骤二、超声、加热辅助的常压脱芯：将待处理的钛合金铸件放入步骤一的脱芯液中，脱芯液温度为70℃～90℃，间歇式施加超声波；步骤三、酸液中和与清洗，将步骤二的钛合金铸件放置在伴有压缩空气搅拌的0.01M的稀盐酸或柠檬酸溶液中，放置20～40分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗10～30分钟。本发明的常压脱除方法有以下优点：所需原料价格低、工艺流程简单、脱除过程在常压下进行和能量损耗少。

Description

一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法
技术领域
本发明涉及航空发动机空心叶片脱除技术领域，特别涉及一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法。
背景技术
随着航空用燃气轮机技术的发展，新型涡轮发动机需要更高的燃气进口温度来增加燃气轮机的效率和使用寿命，这就要求高温合金涡轮机叶片具有更强的承温能力。单纯依靠材料改性已无法满足上述需求，因此通过在铸模过程中预置陶瓷型芯来生产具有气冷内通道的钛合金涡轮机空心叶片，改善叶片的冷却条件，提高叶片的承温能力。随着高温合金涡轮机叶片冷却方式的不断改进，要求其内腔形状日趋复杂和薄壁。为实现高精度铸造，需要采用高强度陶瓷型芯，且其结构也日趋复杂。此外，高温铸造过程还需要陶瓷型芯具有高稳定性(如耐热、不易形变，且常温下难以腐蚀等)，因此常以二氧化硅或氧化铝基陶瓷型芯用于钛合金涡轮机空心气冷叶片的铸造。
高温合金涡轮机叶片冷却成型后，需要去除其内部的陶瓷型芯来形成空气通道，但由于陶瓷型芯往往强度较高、化学性能稳定、结构复杂，在常温下不与酸碱液发生反应，且复杂结构的陶瓷型芯的脱除通常需要繁琐、耗时的工艺规程才能完成，极大地制约了高温合金涡轮机空心叶片的生产效率。现有技术中为了克服这一难题，主要有两种方法，一是对陶瓷型芯的材料进行改性，制造出水溶性的陶瓷型芯，或者合成高气孔率陶瓷型芯并进行水爆脱芯，但这几种型芯缺点在于稳定性较差，易造成铸件表面粗糙。另一种思路是通过化学以及机械力学的方式直接尝试对未改性的陶瓷型芯进行脱芯处理。例如，通过高温高压下使碱液沸腾渗透陶瓷型芯内部；通过使用熔融的碱液浸没铸件进行碱爆脱芯。此外，检索现有专利发现，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或两者的混合液，通过高温和交替升降压力使碱液沸腾和叶片空腔内的反应产物排出。此外，中国专利(公开号101229975A和CN10297476A)分别采用熔融碱液和高压以及真空脱气加碱液处理等方式进行型芯脱除。上述方法虽然可以较快脱芯，但存在着工艺流程复杂、资源损耗过高、易破坏铸件本身等一系列问题。
提高陶瓷型芯脱除效率的根本问题在于脱芯液对陶瓷型芯的渗透性、与陶瓷型芯的反应性能以及反应界面的更新速度等方面的提升。目前对脱芯液的配方、脱芯工艺和设备等的应用和研究已有一些经验积累，但尚存在脱芯液渗透和反应界面更新速度、需要高压环境以及设备工艺参数控制困难等问题，因此还需要探索其他更为简便、安全、高效的陶瓷型芯的脱除方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，以较少的资源、较快的速度和安全的工艺进行陶瓷型芯的高效脱除，同时减少对铸件本身造成损害。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，包括该方法包括如下步骤：
步骤一、脱芯液的配置：脱芯液包含如下质量分数的化学成分：10％～40％的NaOH或KOH或其混合溶液、3％～5％的渗透剂、3％～5％的分散剂、3％～5％的助剂，其余为水；
步骤二、超声、加热辅助的常压脱芯：将待处理的钛合金铸件放入步骤一的脱芯液中，脱芯液温度为70℃～90℃，间歇式施加超声波；
步骤三、酸液中和与清洗，将步骤二的钛合金铸件放置在伴有压缩空气搅拌的0.01M的稀盐酸或柠檬酸溶液中，放置20～40分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗10～30分钟。
进一步地，所述渗透剂包耐碱渗透剂OEP-70或耐碱渗透剂AEP中的一种或两种。
进一步地，所述分散剂包含EDTA二钠或十二烷基磺酸钠或硬脂酸钠一种或多种。
进一步地，所述助剂包含NaF或KF或NH4F中的一种或多种。
进一步地，所述步骤二中施加的加超声的频率为40000Hz，功率为300W～500W。
本发明的有益效果为：
本发明利用在碱液中添加渗透剂、分散剂和助剂，并在超声波和加热的辅助下完成了对陶瓷型芯的脱除。其中，渗透剂OEP-70及AEP为耐碱渗透剂，碱性条件下仍然能保持良好的渗透力，帮助碱液渗透进陶瓷型芯内部；分散剂EDTA二钠、十二烷基磺酸钠、硬脂酸钠可以帮助硬水软化，同时防止溶液中颗粒的沉降与凝聚，阻止钛合金铸件表面污垢的形成；助剂有助于新反应界面暴露。通过加热与超声可以加剧溶液分子的运动，使其可以与陶瓷型芯进行充分接触，同时提供能量加剧陶瓷型芯的粉化、溶解。
另外与现有技术相比，本发明的常压脱除方法有以下优点与效果：
1)所需原料价格低，在脱除型芯过程所使用的化学品都价格较低，容易获得，使得脱除成本降低；
2)工艺流程简单，脱芯效率高，脱除型芯过程中所使用的方法简单易操作，且脱芯时间短，在12h～24h内可完成操作；
3)脱除过程在常压下进行，不需碱液沸腾，安全性高，所使用原料安全，污染小，操作无危险，并且对钛合金铸件没有造成太大损害；
4)能量损耗少，在操作过程中未造成过多能量耗散，节约能源。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1：
步骤1，脱芯液的配置，包含如下质量分数的化学成分：10％的NaOH、5％的渗透剂、5％的分散剂和5％的助剂。其中，渗透剂使用耐碱渗透剂OEP-70，分散剂使用硬脂酸钠，助剂使用KF，余者为水。
步骤2，超声、加热辅助的常压脱芯。将配置的脱芯液与将待处理的钛合金铸件放入超声机中，在90℃下加热，同时使用40000Hz的超声波以500W的功率超声直至陶瓷型芯粉化脱除24h。
步骤3，酸液中和与清洗。将步骤二在通入有压缩空气的0.01M稀盐酸溶液中，并搅拌压缩空气和0.01M稀盐酸溶液，将钛合金铸件放置在上述搅拌过的压缩空气和0.01M稀盐酸溶液中，放置30分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗15分钟。
经X-射线透视，铸件腔内无残余，脱芯合格。
实施例2：
步骤1，脱芯液的配置，包含如下质量分数的化学成分：30％的NaOH、4％的渗透剂、4％的分散剂和4％的助剂。其中，渗透剂使用2％OEP-70和2％AEP，分散剂使用2％EDTA二钠和2％硬脂酸钠，助剂使用2％KF和2％NH4F，余者为水。
步骤2，超声、加热辅助的常压脱芯。将配置的脱芯液与将待处理的钛合金铸件放入超声机中，在80℃下加热，同时使用40000Hz的超声波以400W的功率超声直至陶瓷型芯粉化脱除20h。
步骤3，酸液中和与清洗。将步骤二在通入有压缩空气的0.01M稀盐酸溶液中，并搅拌压缩空气和0.01M稀盐酸溶液，将钛合金铸件放置在上述搅拌过的压缩空气和0.01M稀盐酸溶液中，放置30分钟后，取出铸件并将其置于清水中清洗15分钟。
经X-射线透视，铸件腔内无残余，脱芯合格。
实施例3：
步骤1，脱芯液的配置，包含如下质量分数的化学成分：20％的NaOH和20％的KOH、5％的渗透剂、5％的分散剂和5％的助剂。其中，渗透剂使用OEP-70，分散剂使用硬脂酸钠，助剂使用KF，余者为水。
步骤2，超声、加热辅助的常压脱芯。将配置的脱芯液与将待处理的钛合金铸件放入超声机中，在90℃下加热，同时使用40000Hz的超声波以300W的功率超声直至陶瓷型芯粉化脱除18h。
步骤3，酸液中和与清洗。将步骤二的将步骤二在通入有压缩空气的0.01M稀盐酸溶液中，并搅拌压缩空气和0.01M稀盐酸溶液，将钛合金铸件放置在上述搅拌过的压缩空气和0.01M稀盐酸溶液中，30分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗15分钟。
经X-射线透视，钛合金铸件腔内无残余，脱芯合格。
实施例4：
步骤1，脱芯液的配置，包含如下质量分数的化学成分：20％的KOH、4％的渗透剂、4％的分散剂和4％的助剂。其中，渗透剂使用2％OEP-70和2％AEP，分散剂使用2％EDTA二钠和2％十二烷基磺酸钠，助剂使用2％KF和2％NaF，余者为水。
步骤2，超声、加热辅助的常压脱芯。将配置的脱芯液与将待处理的钛合金铸件放入超声机中，在90℃下加热，同时使用40000Hz的超声波以400W的功率超声直至陶瓷型芯粉化脱除15h。
步骤3，酸液中和与清洗。将步骤二的将步骤二在通入有压缩空气的0.01M稀盐酸溶液中，并搅拌压缩空气和0.01M稀盐酸溶液，将钛合金铸件放置在上述搅拌过的压缩空气和0.01M稀盐酸溶液中，30分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗15分钟。
经X-射线透视，钛合金铸件腔内无残余，脱芯合格。
实施例5：
步骤1，脱芯液的配置，包含如下质量分数的化学成分：30％的KOH和10％NaOH、5％的渗透剂、5％的分散剂和5％的助剂。其中，渗透剂使用3％OEP-70和2％AEP，分散剂使用2％EDTA二钠和3％十二烷基磺酸钠，助剂使用3％KF和2％NH4F，余者为水。
步骤2，超声、加热辅助的常压脱芯。将配置的脱芯液与将待处理的钛合金铸件放入超声机中，在90℃下加热，同时使用40000Hz的超声波以300W的功率超声直至陶瓷型芯粉化脱除11h。
步骤3，酸液中和与清洗。将步骤二的钛合金铸件放置在伴有压缩空气搅拌的0.01M稀盐酸溶液中30分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗15分钟。
经X-射线透视，钛合金铸件腔内无残余，脱芯合格。
综上所述本发明利用在碱液中添加渗透剂、分散剂和助剂，并在超声波和加热的辅助下完成了对陶瓷型芯的脱除。其中，渗透剂OEP-70及AEP为耐碱渗透剂，碱性条件下仍然能保持良好的渗透力，帮助碱液渗透进陶瓷型芯内部；分散剂EDTA二钠、十二烷基磺酸钠、硬脂酸钠可以帮助硬水软化，同时防止溶液中颗粒的沉降与凝聚，阻止钛合金铸件表面污垢的形成；助剂有助于新反应界面暴露。通过加热与超声可以加剧溶液分子的运动，使其可以与陶瓷型芯进行充分接触，同时提供能量加剧陶瓷型芯的粉化、溶解。
另外与现有技术相比，本发明的常压脱除方法有以下优点与效果：
1)所需原料价格低，在脱除型芯过程所使用的化学品都价格较低，容易获得，使得脱除成本降低；
2)工艺流程简单，脱芯效率高，脱除型芯过程中所使用的方法简单易操作，且脱芯时间短，在12h～24h内可完成操作；
3)脱除过程在常压下进行，不需碱液沸腾，安全性高，所使用原料安全，污染小，操作无危险，并且对钛合金铸件没有造成太大损害；
4)能量损耗少，在操作过程中未造成过多能量耗散，节约能源。
以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，其特征在于：包括该方法包括如下步骤：
步骤一、脱芯液的配置：脱芯液包含如下质量分数的化学成分：10％～40％的NaOH或KOH或其混合溶液、3％～5％的渗透剂、3％～5％的分散剂、3％～5％的助剂，其余为水；
步骤二、超声、加热辅助的常压脱芯：将待处理的钛合金铸件放入步骤一的脱芯液中，脱芯液温度为70℃～90℃，间歇式施加超声波；
步骤三、酸液中和与清洗，将步骤二的钛合金铸件放置在伴有压缩空气搅拌的0.01M的稀盐酸或柠檬酸溶液中，放置20～40分钟后，取出钛合金铸件并将其置于清水中清洗10～30分钟。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，其特征在于：所述渗透剂包耐碱渗透剂OEP-70或耐碱渗透剂AEP中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，其特征在于：所述分散剂包含EDTA二钠或十二烷基磺酸钠或硬脂酸钠一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，其特征在于：所述助剂包含NaF或KF或NH4F中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机钛合金铸件内的陶瓷型芯的常压脱除方法，其特征在于：所述步骤二中施加的加超声的频率为40000Hz，功率为300W～500W。
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