CN113182494A - 用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造应用技术领域，具体公开了用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，包括以下步骤，步骤1、配制浆料。步骤2、制壳。步骤3、脱蜡，制壳完成后脱蜡，控制温度约为150℃，压力0.8MPa，在10分钟内完成脱蜡，保持良好通风，干燥12h。步骤4、焙烧，焙烧的炉膛温度1200℃，将模壳放置于炉膛内，保温1h后取出冷却至室温。步骤5、模壳包裹碳纤维布，将步骤1制得的浆料在模壳的外层涂刷，同时将碳纤维布置于浆桶内浸湿，取出后将碳纤维布与模壳缠绕贴合，挤出空气，最后进行干燥。本发明的有益效果在于：其所制备的单晶叶片模壳品质优，进而提高单晶叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造应用技术领域，具体涉及用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法。
背景技术
航空发动机和燃气轮机被誉为机械制造工业的皇冠，是军用飞机、大型客机、特种船舶、新型主战坦克、民用发电领域等的动力之源。高温合金单晶叶片由于其优异的高温性能被广泛的应用在航空发动机和燃气轮的第一级叶片，是航空发动机和燃气轮机中的核心部件。其性能决定着两机的工作效率。高温合金单晶叶片的无余量精密制造，是金属材料成型技术方面的尖端技术。该技术的成熟与发展直接关系到航空发动机和燃气轮机技术的发展。
目前，我国高性能高温合金单晶叶片主要采购国外公司的产品，如德国西门子，日本三菱，美国PCC，英国Rolls-Royce,美国通用，法国赛峰等公司，这样很大程度上提高了我国航空发动机和燃气轮机制造成本。以重型燃机的一级单晶叶片为例，如果采用国外厂商的产品，一片叶片的制造成本在40万元左右，市场售价达100万元，但如果采用国产叶片，制造成本只有10万元左右。同样，对于航空发动机叶片，每一片单晶叶片的市场价值相当于一辆宝马车，如果我国可以自主生产将会大大降低航空发动机的制造成本。
随着我国航母、新型战舰、民机、重型燃机轮机等的快速发展，高性能高温合金的需求日益增加，研发和生产高效率燃气轮机和大推重比、低燃油率航空发动机是大势所趋，高温合金单晶叶片制备技术成为首当其冲要解决的问题。目前我国单晶叶片制备技术积累不足，成品率无法得到保证，叶片的结构设计和制备工工艺落后，该方面技术急需迎头赶上。
基于上述问题，本发明提供用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，其所制备的单晶叶片模壳品质优，进而提高单晶叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
技术方案：本发明提供的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，包括以下步骤，步骤1、配制浆料，开混浆桶，加入硅溶胶，加1%的润湿剂，将混合的刚玉粉分为10等份，均匀撒入浆桶，每等份之间相隔2小时，在加下一等份之前，记录粘度，备用。步骤2、制壳，（1）挂浆：将蜡模浸入沾浆桶内数秒，取出，用压缩空气轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀，（2）淋砂：挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，下次挂浆前，吹尽浮砂，（3）重复以上操作，直到预定层数，（4）对于以上列出的干燥方案，分别进行试验，观察效果，（5）封浆：将蜡模浸入浆桶内，充分浸润，取出，干燥。步骤3、脱蜡，制壳完成后脱蜡，控制温度约为150℃，压力0.8MPa，在10分钟内完成脱蜡，保持良好通风，干燥12h。步骤4、焙烧，焙烧的炉膛温度1200℃，将模壳放置于炉膛内，保温1h后取出冷却至室温。步骤5、模壳包裹碳纤维布，将步骤1制得的浆料在模壳的外层涂刷，同时将碳纤维布置于浆桶内浸湿，取出后将碳纤维布与模壳缠绕贴合，挤出空气，最后进行干燥。
本技术方案的，所述步骤1中配制浆料的粉液比为2.9：1，320目刚玉粉/200目刚玉粉比为2：1。
本技术方案的，所述步骤5中干燥温度/℃为25±5，湿度为≤50、干燥时间/h为20-50、风速/m·s-1为2-8。
本技术方案的，所述碳纤维布的尺寸为7.5mm×4.2mm×2.4mm。
与现有技术相比，本发明的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法的有益效果在于：其所制备的单晶叶片模壳品质优，进而提高单晶叶片的质量，提高经济效益，降低生产成本和管控成本。
附图说明
图1是粉液比对浆料粘度的影响；
图2是不同目数刚玉粉比例对粘度的影响；
图3是纯净水加入量对浆料粘度的影响；
图4模壳未增强；
图5SHB－I－200碳纤维布增强；
图6SHB－II－300碳纤维布增强；
图7是叶片模壳制作过程的选图及铸件效果图。
具体实施方式
下面结合附图具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，包括以下步骤，步骤1、配制浆料，开混浆桶，加入硅溶胶，加1%的润湿剂，将混合的刚玉粉分为10等份，均匀撒入浆桶，每等份之间相隔2小时，在加下一等份之前，记录粘度，备用。步骤2、制壳，（1）挂浆：将蜡模浸入沾浆桶内数秒，取出，用压缩空气轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀，（2）淋砂：挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，下次挂浆前，吹尽浮砂，（3）重复以上操作，直到预定层数，（4）对于以上列出的干燥方案，分别进行试验，观察效果，（5）封浆：将蜡模浸入浆桶内，充分浸润，取出，干燥。步骤3、脱蜡，制壳完成后脱蜡，控制温度约为150℃，压力0.8MPa，在10分钟内完成脱蜡，保持良好通风，干燥12h。步骤4、焙烧，焙烧的炉膛温度1200℃，将模壳放置于炉膛内，保温1h后取出冷却至室温。步骤5、模壳包裹碳纤维布，将步骤1制得的浆料在模壳的外层涂刷，同时将碳纤维布置于浆桶内浸湿，取出后将碳纤维布与模壳缠绕贴合，挤出空气，最后进行干燥（见图7）。
进一步优选的，所述步骤1中配制浆料的粉液比为2.9：1，320目刚玉粉/200目刚玉粉比为2：1；及所述步骤5中干燥温度/℃为25±5，湿度为≤50、干燥时间/h为20-50、风速/m·s-1为2-8；及所述碳纤维布的尺寸为7.5mm×4.2mm×2.4mm。
实施例
一、配制浆料
（1）液粉比的影响，从图 1，可以看出，随着粉液比从 2.6 开始增加，浆料的粘度逐渐变大（接近线性），粉液比过低，即硅溶胶加入量过多，提高了浆料的流动性，但降低了试样的强度，无法满足后续工序的强度要求；反之，液粉比过高，浆料的流动性太差，胶凝时间太短，灌浆时可能出现涂料分布不均匀的情况，因此，粉液比对流动性和强度的影响规律呈相反趋势，在保证流动性的前提下，再选取强度最大的配比方案；
（2）不同目数刚玉粉比例的影响
在保持粉液比为2.9:1不变的情况下，测得不同目数刚玉粉比例与浆料粘度关系，从图 2，可以看出，随着320目刚玉粉/200目刚玉粉比从 1.3 开始增加，浆料的粘度逐渐变大，浆料中骨料颗粒越细,颗粒间平均距离越小，骨料在运动过程中相互碰撞的几率越大，砂浆的粘度就越大,其流动性就越差；相应地，骨料的粒径越大，颗粒的比表面积越小，所需的单位用水量和浆体的量越少，骨料被基体隔离的距离越大，流动性便越好；
（3）纯净水加入量的影响
在保持粉液比为2.9：1，320目刚玉粉/200目刚玉粉比为2：1不变的情况下，改变纯净水加入量的比例测得的浆料的粘度，在图3中可以看出，随着纯净水加入量的比例增大浆料粘度逐渐下降。
二、纤维增强
试验方案，制备不同层数的模壳，使用不同型号的碳纤维布进行增强，分别测试其抗弯强度，重量和厚度，并与未增强的模壳进行比较，获得最佳工艺，以下为工艺方案见表1，
表1未增强模壳与增强模壳的层数设计
试验内容，在模壳的外层涂刷背层浆料，同时将碳纤维置于浆桶内浸湿，取出后将
碳纤维与模壳缠绕贴合，挤出空气，然后进行干燥，干燥条件见如表2，
| 干燥温度/℃ | 湿度/% | 干燥时间/h | 风速/m·s<sup>-1</sup> |
| 25±5 | ≤50 | 20-50 | 2--8 |
表2干燥条件
试验结果
（1）模壳的减薄量，减重量见表3，
表3
由于重量，厚度的减少，对于大型铸件而言，可操作性增强，降低了生产成
本，降低了生产周期。
（2）模壳力学性能，横坐标为层数，纵坐标为抗弯强度/mpa，其中图4 是模壳未增强示意图，图5是SHB－I－200碳纤维布增强示意图；图6是SHB－II－300碳纤维布增强示意图。
根据图4、图5和图6，可以看到，模壳未增强时，其抗弯强度在层数为8的时候达到3MPA，用碳纤维布I和II增强时，模壳强度在层数为6的时候达到了3MPA，即实验要求，由于碳纤维布I和II的数据差别较小，且碳纤维布II的成本更低，采用层数为8的未增强模壳，和碳II布包裹的6层模壳进行定向凝固实验，是合理的。
三、结论，
陶瓷涂料，通过实施不同方案的制浆工艺，并进行制壳，定向凝固，力学性
能测试，金相实验，以测试各方案所致模壳的力学性能，导热性能（即对铸件性能的影响），以期获得最佳的制浆参数，通过实验，得出以下结论：
（1）粉液比：随着粉液比的增大，浆料的粘度逐渐变大，模壳的抗压强度随粉液比的增大而增大。浆料中增多的固相物，阻碍了浆料的流动，导致粘度增大；
（2）浆料中粉液比不变的情况下，浆料粘度随着刚玉粉平均粒度的增大而减小；
（3）浆料中粉液比不变且浆料中刚玉粉平均粒度不变的情况下，浆料的粘度随着纯净水加入量的增大而减小；
（4）方案3，也就是里层浆料粘度17，2层浆料粘度12，3-6面层浆料粘度10时制造的模壳所铸造出的铸件外形轮廓清晰，表面光洁度较高，各项力学性能最好；
（5）制浆配方主要参数如下：粉液比 2.9、 320目刚玉粉/200目刚玉粉比为2：1，按照此配方配制的造型材料在流动性、胶凝时间和抗压强度上均能满足工艺的要求。
模壳技术，通过设定一系列实验方案，并以此分别制壳，测试其抗弯强度，初步筛选后进行定向凝固实验，分析铸件的金相组织及力学性能，经实验得出以下结论：
1）砂的粒度：经实验面层80目，二层60目，背层36目所制的模壳综合性能最好，
2）模壳的层数：模壳层数为6，并纤维增强时，满足实验要求，
3）最优干燥参数如表4所示，
表4
综上所述，本制壳工艺可满足制备纤维增强薄壁高强度模壳的要求。
本发明的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，当模壳强度相同时，纤维增强模壳的厚度减少了20％，重量减轻了17％；当厚度和重量相同时，选用纤维增强的模壳，其强度增加了23％。
通过定向凝固试验，发现经纤维增强的模壳枝晶组织明显细化，铸件的力学性能增强，纤维增强模壳温度梯度明显提高，以上证明了纤维增强薄壁高强模壳具有更高的导热性能，合格的抗弯强度，达到了实验预期的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1、配制浆料，开混浆桶，加入硅溶胶，加1%的润湿剂，将混合的刚玉粉分为
10等份，均匀撒入浆桶，每等份之间相隔2小时，在加下一等份之前，记录粘度，备用；
步骤2、制壳，
（1）挂浆：将蜡模浸入沾浆桶内数秒，取出，用压缩空气轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀，
（2）淋砂：挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，下次挂浆前，吹尽浮砂，
（3）重复以上操作，直到预定层数，
（4）对于以上列出的干燥方案，分别进行试验，观察效果，
（5）封浆：将蜡模浸入浆桶内，充分浸润，取出，干燥；
步骤3、脱蜡，制壳完成后脱蜡，控制温度约为150℃，压力0.8MPa，在10分钟内完成脱蜡，保持良好通风，干燥12h；
步骤4、焙烧，焙烧的炉膛温度1200℃，将模壳放置于炉膛内，保温1h后取出冷却至室温；
步骤5、模壳包裹碳纤维布，将步骤1制得的浆料在模壳的外层涂刷，同时将碳纤维布置于浆桶内浸湿，取出后将碳纤维布与模壳缠绕贴合，挤出空气，最后进行干燥。
2.根据权利要求1所述的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，其特征在于：所述步骤1中配制浆料的粉液比为2.9：1，320目刚玉粉/200目刚玉粉比为2：1。
3.根据权利要求1所述的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，其特征在于：所述步骤5中干燥温度/℃为25±5，湿度为≤50、干燥时间/h为20-50、风速/m·s-1为2-8。
4.根据权利要求1所述的用于单晶叶片高强度纤维模壳的制备方法，其特征在于：所述碳纤维布的尺寸为7.5mm×4.2mm×2.4mm。
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