CN112916811B - 带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，涉及航空发动机涡轮叶片生产制造领域，解决的技术问题是提供一种空心涡轮叶片在铸造过程中直接形成气膜孔的铸造方法，采用的技术方案是：带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，首先，建立带气膜孔的空心涡轮叶片的三维模型；然后，根据三维模型制造陶瓷型芯，陶瓷型芯包括基体部分和加厚部分，基体部分与空心涡轮叶片的内腔的形状及大小一致，基体部分在对应于空心涡轮叶片设置气膜孔的区域设置加厚部分，加厚部分的内部设置浇铸腔，浇铸腔外侧的加厚部分为保护层；最后，利用陶瓷型芯制造空心涡轮叶片。本发明适用于在空心涡轮叶片的浇铸过程中直接形成气膜孔，可缩短制造周期，降低制造成本。

Description

带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮叶片生产制造领域，具体涉及一种带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法。

背景技术

空心涡轮叶片设置气膜孔，气膜孔喷出的低温气体粘附在涡轮叶片的壁面附近形成冷气层，起到良好的高温隔离作用，避免涡轮叶片被高温燃气烧蚀。

目前，带气膜孔的涡轮叶片的制造方法为：先铸造出不带气膜孔的涡轮叶片，再采用激光、电火花、电液束或复合加工方式加工出气膜孔。其中，前两种加工方式属于热熔加工，会在孔壁产生重熔层和微裂纹，导致涡轮叶片材料性能和安全使用寿命下降。另外，涡轮叶片内部结构复杂，气膜孔加工过程中容易出现偏差，使气膜孔打到其他腔室或打到隔板上，即出现气膜孔实际位置偏离设计位置的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空心涡轮叶片在铸造过程中直接形成气膜孔的铸造方法。

本发明采用的技术方案是：带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，包括以下步骤：

S1、建立带气膜孔的空心涡轮叶片的三维模型。

S2、根据三维模型制造陶瓷型芯：陶瓷型芯包括基体部分和加厚部分，基体部分的形状及大小与空心涡轮叶片的内腔的形状及大小一致，基体部分在对应于空心涡轮叶片设置气膜孔的区域设置加厚部分，基体部分和加厚部分为一个整体，加厚部分的厚度大于对应位置的空心涡轮叶片的厚度，加厚部分的内部设置浇铸腔，浇铸腔的形状与空心涡轮叶片设置气膜孔的部分的形状一致，浇铸腔外侧的加厚部分为保护层。

具体的：步骤S1中，气膜孔为圆形孔或异形孔。

具体的：步骤S2中，陶瓷型芯为氧化铝基、氧化硅基、氧化钙基或氧化钇基型芯。

进一步的是：步骤S2中，由3D打印方式制得陶瓷型芯，或者制造陶瓷型芯的步骤如下：

S2.1预制临时充填体，临时充填体的形状与浇铸腔的形状一致。例如，临时充填体为尿素或水溶性蜡料材质。

S2.2压制陶瓷型芯，其中陶瓷型芯对应于浇铸腔的部分预置临时充填体。

S2.3去除陶瓷型芯的临时充填体。例如，通过溶解方式去除临时充填体。

S2.4烧制陶瓷型芯。

S3、利用S2制得的陶瓷型芯制造空心涡轮叶片。

进一步的是：步骤S1中，三维模型包括本体部分和金属层，其中本体部分与空心涡轮叶片的形状及大小一致，金属层设置于本体部分对应于设置气膜孔的区域的外部，金属层与本体部分之间形成外层间隙；外层间隙的宽度与步骤S2中保护层的厚度一致；

并且，步骤S3之后还包括：S4、将S3制造得到的空心涡轮叶片外侧的金属层去除，得到带气膜孔的空心涡轮叶片。

进一步的是：步骤S1中，金属层的边缘与本体部分连续连接或不连续连接。

进一步的是：步骤S1中，外层间隙的最小宽度为1.0mm，最大宽度为空心涡轮叶片的叶身中部叶型最大内切圆半径。

具体的：步骤S1中，金属层的厚度为0.5～1.0mm。

本发明的有益效果是：空心涡轮叶片在铸造过程中直接形成气膜孔，避免铸造出不带气膜孔的涡轮叶片之后加工气膜孔而产生重熔层和微裂纹缺陷，也避免出现气膜孔加工过程偏离设计位置的问题，并且可以显著缩短和降低带气膜孔空心涡轮叶片的制造周期和成本。

按照本发明的方法，由于气膜孔在浇铸过程中直接形成，因此气膜孔不仅可为圆形孔，还可为异形孔。空心涡轮叶片的三维模型包括本体部分和金属层，金属层避免陶瓷型芯的加厚部分与模壳直接接触，在烧结和预热过程中，避免陶瓷型芯与模壳由于热膨胀系数存在差异导致陶瓷型芯损坏。

附图说明

图1是本发明步骤S2制造的陶瓷型芯的示意图。

图2是本发明步骤S3制得的陶瓷型芯制造空心涡轮叶片在去除金属层之前的示意图。

图3是本发明步骤S3制得的陶瓷型芯制造空心涡轮叶片在去除金属层之后的示意图。

附图标记：空心涡轮叶片1、内腔11、气膜孔12、本体部分13、金属层14、陶瓷型芯2、基体部分21、浇铸腔22、保护层23。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

带气膜孔12的空心涡轮叶片1的最终结构参见图3，本发明在空心涡轮叶片1的铸造过程中直接形成气膜孔12。带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，包括以下步骤：

S1、建立带气膜孔12的空心涡轮叶片1的三维模型。

三维模型的建立有两种方案，第一种方案是三维模型与空心涡轮叶片1的最终结构一致，如图3所示。第二种方案是三维模型包括本体部分13和金属层14，参见图2，其中本体部分13与空心涡轮叶片1的形状、大小一致，金属层14设置于本体部分13对应于设置气膜孔12的区域的外部。金属层14为层状结构，金属层14与本体部分13之间形成外层间隙。金属层14的作用是使陶瓷型芯2与模壳之间形成一定的距离，避免陶瓷型芯2对应涡轮叶片设置气膜孔12的区域与模壳直接接触，在模壳烧结和预热过程中，避免陶瓷型芯1与模壳由于热膨胀系数存在差异而导致陶瓷型芯2损坏。金属层14并非零件本身结构，后期需要去除，因此金属层14的厚度主要考虑可去除性以及成本。例如，金属层14的厚度为0.5～1.0mm。金属层14与本体部分13同时浇铸而成。浇铸后，金属层14的边缘与本体部分13相连，使两者相对固定并连为一体，金属层14的边缘与本体部分13之间连续连接或不连续连接。外层间隙的宽度根据步骤S2中保护层23的厚度确定，外层间隙的宽度与保护层23的厚度一致。例如，外层间隙的最小宽度为1.0mm，最大宽度为空心涡轮叶片1的叶身中部叶型最大内切圆半径，即外层间隙的宽度介于最小宽度和最大宽度之间。

S2、根据三维模型制造陶瓷型芯2：陶瓷型芯2包括基体部分21和加厚部分，参见图1，基体部分21的形状及大小与空心涡轮叶片1的内腔11的形状及大小一致，基体部分21在对应于空心涡轮叶片1设置气膜孔12的区域设置加厚部分，基体部分21和加厚部分为一个整体，加厚部分的厚度大于对应位置的空心涡轮叶片1的厚度，加厚部分的内部设置浇铸腔22。浇铸腔22的形状与空心涡轮叶片1设置气膜孔12的部分的形状一致，浇铸腔22外侧的加厚部分为保护层23。浇铸腔22为一个连续的空腔，浇铸后形成空心涡轮叶片1设置气膜孔12的部分。加厚部分包括两部分，一部分是保护层23，另一部分是保护层23与基体部分21之间的若干连接柱，这些连接柱用于形成气膜孔12。

由于气膜孔12的孔径很小，也即是保护层23与基体部分21之间的连接柱很细，保护层23用于保护这些连接柱，避免这些细小的连接柱在制造、运输、浇铸过程中被损坏，以实现直接铸造成形气膜孔12的目的。保护层23的厚度若小于1.0mm，存在不易制造、保护作用不大的缺点，因此保护23的厚度大于1.0mm；同时，若保护层23厚度过大，会使连接柱两侧的陶瓷型芯厚度差异过大，导致连接柱两侧的陶瓷型芯烧结收缩程度差异过大，造成连接柱断裂，因此，保护层23的厚度不宜过大，例如保护层23的厚度不超过空心涡轮叶片1叶身中部叶型最大内切圆半径。连接柱的形状与气膜孔12的形状一致，气膜孔12为圆形孔或异形孔，异形孔指的是非圆形孔。陶瓷型芯2由现有材质制成，例如为氧化铝基、氧化硅基、氧化钙基或氧化钇基型芯。

陶瓷型芯2可通过3D打印方式制得。本发明另外提供一种制造陶瓷型芯2的方法，具体如下：

S2.1预制临时充填体，临时充填体的形状与浇铸腔22的形状一致。例如，临时充填体为尿素或水溶性蜡料材质。

S2.2压制陶瓷型芯2，其中陶瓷型芯2对应于浇铸腔22的部分预置临时充填体。由于陶瓷型芯2的浇铸腔22无法使用模具成型，因此采用预置临时填充体成型浇铸腔22，使用注射法压制陶瓷型芯2。在压制陶瓷型芯2前，将临时填充体放入陶瓷型芯模具中，再按规定工艺进行注射和保压，以实现陶瓷型芯2的顺利压制。

S2.3去除陶瓷型芯2的临时充填体。例如，通过溶解方式去除临时充填体，临时充填体的位置形成浇铸腔22。

S2.4烧制陶瓷型芯2。具体的，按照烧结、修整、强化等陶瓷型芯制造工艺制得陶瓷型芯2，陶瓷型芯2的结构参见图1。

S3、利用S2制得的陶瓷型芯2制造空心涡轮叶片1。若步骤S1中建立空心涡轮叶片1的三维模型采用第一种方案，则直接制得如图3所示的带气膜孔12的空心涡轮叶片1；若步骤S1中建立空心涡轮叶片1的三维模型采用第二种方案，步骤S3制得的空心涡轮叶片1外侧具有金属层14，如图2所示，还需要将金属层14去除，最后得到带气膜孔12的空心涡轮叶片1，如图3所示。例如，采用砂带机等工具去除金属层14并进行打磨，最后得到带气膜孔12的空心涡轮叶片1。

例如，某型号的空心涡轮叶片1金属壁厚为1.0mm，叶身中部叶型最大内切圆半径为5.0mm。步骤S1建立空心涡轮叶片1的三维模型时，按上述第二种方案，金属层14的厚度为0.8mm，外层间隙的宽度为1.5mm。

步骤S2中，按照上述制造陶瓷型芯2的方法，先使用水溶芯蜡料预制临时填充体；然后采用注射法压制陶瓷型芯2，具体选择的陶芯浆料为氧化硅基；再使用水溶液溶解临时填充体，得到陶瓷型芯素坯；最后，将陶瓷型芯素坯在一定的工艺温度下进行烧结，烧结完成后进行外观修整和强化；最后完成陶瓷型芯2的制造，得到所需的陶瓷型芯2。

步骤S3中，使用陶瓷型芯2完成熔模铸造的压蜡、组树、制壳、脱蜡、模壳烧结、浇铸、脱芯等工艺，从而获得如图2所示的带金属层14和气膜孔12的空心涡轮叶片1。最后，步骤S4，去除金属层14即可获得带气膜孔12的空心涡轮叶片1，如图3所示。

Claims (7)

1.带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、建立带气膜孔（12）的空心涡轮叶片（1）的三维模型：三维模型包括本体部分（13）和金属层（14），其中本体部分（13）与空心涡轮叶片（1）的形状及大小一致，金属层（14）设置于本体部分（13）对应于设置气膜孔（12）的区域的外部，金属层（14）的边缘与本体部分（13）连续连接或不连续连接，金属层（14）与本体部分（13）之间形成外层间隙，外层间隙的最小宽度为1.0mm，最大宽度为空心涡轮叶片（1）的叶身中部叶型最大内切圆半径，外层间隙的宽度与步骤S2中保护层（23）的厚度一致；

S2、根据三维模型制造陶瓷型芯（2）：陶瓷型芯（2）包括基体部分（21）和加厚部分，基体部分（21）的形状及大小与空心涡轮叶片（1）的内腔（11）的形状及大小一致，基体部分（21）在对应于空心涡轮叶片（1）设置气膜孔（12）的区域设置加厚部分，基体部分（21）和加厚部分为一个整体，加厚部分包括两部分，一部分是保护层（23），另一部分是保护层（23）与基体部分（21）之间若干用于形成气膜孔（12）的连接柱，加厚部分的厚度大于对应位置的空心涡轮叶片（1）的厚度，加厚部分的内部设置浇铸腔（22），浇铸腔（22）的形状与空心涡轮叶片（1）设置气膜孔（12）的部分的形状一致，浇铸腔（22）外侧的加厚部分为保护层（23）；

S3、利用S2制得的陶瓷型芯（2）制造空心涡轮叶片（1）；

S4、将S3制造得到的空心涡轮叶片（1）外侧的金属层（14）去除，得到带气膜孔（12）的空心涡轮叶片（1）。

2.如权利要求1所述的带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：步骤S1中，气膜孔（12）为圆形孔或异形孔。

3.如权利要求1所述的带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：步骤S2中，陶瓷型芯（2）为氧化铝基、氧化硅基、氧化钙基或氧化钇基型芯。

4.如权利要求1所述的带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：步骤S2中，由3D打印方式制得陶瓷型芯（2），或者制造陶瓷型芯（2）的步骤如下：

S2.1预制临时充填体，临时充填体的形状与浇铸腔（22）的形状一致；

S2.2压制陶瓷型芯（2），其中陶瓷型芯（2）对应于浇铸腔（22）的部分预置临时充填体；

S2.3去除陶瓷型芯（2）的临时充填体；

S2.4烧制陶瓷型芯（2）。

5.如权利要求4所述的带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：步骤S2.1中，临时充填体为尿素材质或水溶性蜡料材质。

6.如权利要求5所述的带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：步骤S2.3中，通过溶解方式去除临时充填体。

7.如权利要求6所述的带气膜孔的空心涡轮叶片的铸造方法，其特征在于：步骤S1中，金属层（14）的厚度为0.5～1.0mm。

Images