CN115041631A - 一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法及铸型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法及铸型，根据待铸造工件的结构，构建具有型芯空腔和型壳空腔的双浇道母模具的三维模型；采用光固化激光成型技术制备树脂双浇道母模具；将不同材料的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别注入双浇道母模具的型芯空腔和型壳空腔中，形成模具型壳和模具型芯；待模具型壳和模具型芯干燥凝固后去除树脂双浇道母模具得到一体化铸型模具，该铸型模具的型壳采用高硬度的型壳陶瓷浆料制成，型芯采用可溶性型材料，这样能够保证铸型模具的精度，同时便于脱芯，解决了传统的氧化铝基陶瓷成型一体化叶片陶瓷铸型，浇铸金属叶片之后脱芯困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域，具体为一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法及铸型。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的第一关键部件，叶片结构和制造质量直接影响其综合性能。陶瓷型芯在熔模精密铸造空心叶片内腔的成型过程中，需承受不同强化液体的浸泡与冲洗，高温煅烧的同时须保持较小的收缩率，制壳时不变形、不位移，具有一定的高温强度来抵制高温合金液体的冲击作用。这些对陶瓷型芯提出严苛的考验，也成为空心叶片铸造的技术瓶颈。
现有的铸型模具采用单一材料制成，在保证铸型模具强度和精度时，则脱芯困难制约着其发展，若采用溶解性好的材料，则高温下强度低易蠕变导致铸型模具强度和精度难以保证。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法及铸型，该制备方法工艺简单，双浇道浇注系统易于设计加工，型壳坚固且型芯易脱除。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，包括以下步骤：
步骤、根据待铸造工件的结构，构建具有型芯空腔和型壳空腔的双浇道母模具的三维模型；
步骤、根据双浇道母模具的三维模型并结合光固化激光成型技术，制备树脂双浇道母模具；
步骤、将不同材料的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别注入双浇道母模具的型芯空腔和型壳空腔中，形成模具型壳和模具型芯；
步骤、待模具型壳和模具型芯干燥凝固后去除树脂双浇道母模具，得到一体化铸型模具。
优选的，所述双浇道母模具包括母模型芯以及套设在其外部的母模型芯，并且母模型壳和母模型芯之间设置有用于形成模具型壳的空腔，母模型壳中设置有用于形成模具型芯的空腔。
优选的，所述母模型壳上设置有型壳注料管并与母模型壳和母模型芯之间空腔连通；
所述母模型芯上形成有型壳注料管，型壳注料管与母模型壳中的空腔连通。
优选的，步骤中采用包覆铝箔的陶瓷棒将母模型壳和母模型芯固定。
优选的，步骤中所述型芯陶瓷浆料为氧化硅浆料。
优选的，步骤中所述型芯陶瓷浆料为氧化铝浆料或碳化硅浆料。
优选的，步骤中采用真空冷冻干燥的方式使模具型壳和模具型芯干燥凝固。
优选的，步骤中采用高温烧结的方式去除树脂双浇道母模具
一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型，包括不同材料的模具型壳和模具型芯，模具型壳和模具型芯通过陶瓷棒连接。
优选的，所述模具型壳的材料为氧化铝或碳化硅，所述模具型芯的材料为氧化硅。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，首先采用光固化激光成型技术制备树脂双浇道母模具，然后将不同的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料注入该树脂双浇道母模具中形成两种材料构成的一体化叶片陶瓷铸型，最后去除树脂双浇道母模具得到一体化铸型模具。铸型模具的型壳采用高硬度的型壳陶瓷浆料制成，型芯采用可溶性型材料，这样能够保证铸型模具的精度，同时便于脱芯，解决了传统的氧化铝基陶瓷成型一体化叶片陶瓷铸型，浇铸金属叶片之后脱芯困难的问题。
附图说明
图1为本发明双浇道母模具的结构图；
图2为本发明双浇道母模具浇筑陶瓷浆料后的结构图；
图3为本发明一体化铸型的结构示意图。
图中：1、型芯注料口，2、型壳注料口，3、母模型壳，4、母模型芯，5、定位柱；6、模具型芯，7、模具型壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、根据待铸造工件的结构构造具有型芯型壳的双浇道母模具的三维模型；
参见图1，所述双浇道母模具包括母模型壳3和母模型芯4，母模型壳3套设在母模型芯4的外层，并且母模型壳3和母模型芯4之间设置有用于形成模具型壳7的空腔，母模型壳3中设置有用于形成模具型芯6的空腔，母模型壳3上设置有型壳注料管2，型壳注料管2的出口与母模型壳3和母模型芯4之间空腔连通，母模型芯4上形成有型壳注料管1，型壳注料管1的出口穿过母模型壳3与母模型芯4连接，并且型壳注料管1的出口与母模型壳3中的空腔连通。
步骤2、根据双浇道母模具的三维模型并结合光固化激光成型技术，制备树脂双浇道母模具。
具体的，双浇道母模具的三维模型转换成为STL文件，导入光固化激光快速成型机中，成型精度为0.07mm，按照设定的轨迹采用立体光固化工艺成形，得到树脂双浇道母模具。
双浇道母模具可以采用合光固化激光成型技术一次成型，还可以分部件成型后进行组装。
例如，将母模型壳3和型壳注料管2设计为一个部件进行整体成型，将母模型芯4和型芯注料管1分别成型。将母模型壳3套设在母模型芯4上，型芯注料管1穿过母模型壳3与母模型芯4的预定位置固定，母模型壳3与母模型芯4的下端并通过多个定位柱连接。
在本实施例中所述定位柱为陶瓷棒，并且在陶瓷棒上包覆有铝箔，铝箔厚度为50-100μm，陶瓷棒为刚玉材质，陶瓷棒的直径为2-4mm。
步骤3、配制型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料，并且型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料的材质不同。
型芯陶瓷浆料的配制方法如下：
将有机单体AM和交联剂MBAM按照质量比24:1溶解到去离子水中，添加一定量的分散剂，然后用浓氨水调节pH值，得到浓度为20wt％的预混液。
将配制好的预混液倒入球磨罐中，分批加入事先通过干法球磨混合均匀的型芯陶瓷粉末，然后加入料球在球磨机中搅拌均匀，球磨机的转速为300r/min，球磨时间为40min得到型芯陶瓷浆料。
其中，型芯陶瓷粉末为级配分布的氧化硅粉末颗粒，粉末粒径分别为100μm、40μm、5μm、2μm。
型壳陶瓷浆料的配制方法如下：
将有机单体AM和交联剂MBAM按照质量比24:1溶解到去离子水中，添加一定量的分散剂，然后用浓氨水调节pH值，得到浓度为20wt％的预混液。
将配制好的预混液倒入球磨罐中，分批加入事先通过干法球磨混合均匀的型芯陶瓷粉末，然后加入料球在球磨机中搅拌均匀，球磨机的转速为300r/min，球磨时间为40min得型芯陶瓷浆料。
其中，型壳陶瓷粉末为级配分布的氧化铝或碳化硅颗粒，粉末粒径分别为100μm、40μm、5μm、2μm。
步骤4、将步骤3得到的型壳陶瓷浆料自型壳注料管2注入至母模型壳3和母模型芯4之间空腔中形成模具型壳7；
将型芯陶瓷浆料自型芯注料管1注入至母模型壳3的空腔中，形成模具型芯6，形成的结构如图2所示。
步骤5、待模具型壳7和模具型芯6干燥凝固后去除树脂双浇道母模具，得到一体化陶瓷铸型模具。
具体的，参阅图3，采用真空冷冻干燥技术对步骤4得到的树脂双浇道母模具进行干燥处理，去除模具型壳7和模具型芯6中的水分，真空冷冻的时间为80h。
然后，采用高温烧结的方式去除树脂双浇道母模具，得到一体化陶瓷铸型模具，同时高温烧结的过程中铝箔烧失和陶芯发生反应生成莫来石晶须，增强陶瓷棒与模具型壳7和模具型芯6的连接强度。
高温烧结的温度为900℃，高温烧结后树脂双浇道母模具形成粉末然后去除，模具型壳7和模具型芯6之间的母模型芯4去除后形成空腔，该空腔的形状即为待铸造工件的结构，在该空腔中注入液态材料冷却后，通过碱反应的方法去除模具型壳7和模具型芯6得到该工件，即将一体化陶瓷铸型模具浸泡在碱溶液中通过化学反应去除模具型壳7和模具型芯6。
本发明还提供了一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型，包括不同材料的模具型壳和模具型芯，模具型壳和模具型芯通过陶瓷棒连接，模具型壳采用氧化铝或碳化硅制成，模具型芯采用氧化硅制成。
本发明提供的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，首先采用光固化激光成型技术制备树脂双浇道母模具，然后将不同的氧化硅浆料和氧化铝浆料注入该树脂双浇道母模具中形成两种材料构成的一体化叶片陶瓷铸型，最后去除树脂双浇道母模具得到一体化铸型模具。铸型模具的型壳采用氧化铝形成型壳，型芯采用氧化硅，氧化铝在焙烧和铸造过程中结构稳定性好，不易发生晶型转变，保证了涡轮叶片的精度，同时氧化硅具有热膨胀系数低、烧结温度低、抗热震性优良、冶金化学稳定性强、溶出性好等特点，因此采用氧化硅型芯便于铸造后脱芯，解决了传统的氧化铝基陶瓷成型一体化叶片陶瓷铸型，浇铸金属叶片之后脱芯困难的问题。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、根据待铸造工件的结构，构建具有型芯空腔和型壳空腔的双浇道母模具的三维模型；
步骤(2)、根据双浇道母模具的三维模型并结合光固化激光成型技术，制备树脂双浇道母模具；
步骤(3)、将不同材料的型芯陶瓷浆料和型壳陶瓷浆料分别注入双浇道母模具的型芯空腔和型壳空腔中，形成模具型壳(7)和模具型芯(6)；
步骤(4)、待模具型壳(7)和模具型芯(6)干燥凝固后去除树脂双浇道母模具，得到一体化铸型模具。
2.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，所述双浇道母模具包括母模型芯(4)以及套设在其外部的母模型芯(4)，并且母模型壳(3)和母模型芯(4)之间设置有用于形成模具型壳(7)的空腔，母模型壳(3)中设置有用于形成模具型芯(6)的空腔。
3.根据权利要求2所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，所述母模型壳(3)上设置有型壳注料管(2)，型壳注料管(2)并与母模型壳(3)和母模型芯(4)之间空腔连通；
所述母模型芯(4)上形成有型壳注料管(1)，型壳注料管(1)与母模型壳(3)中的空腔连通。
4.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤(2)中采用包覆铝箔的陶瓷棒将母模型壳(3)和母模型芯(4)固定。
5.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述型芯陶瓷浆料为氧化硅浆料。
6.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述型芯陶瓷浆料为氧化铝浆料或碳化硅浆料。
7.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用真空冷冻干燥的方式使模具型壳(7)和模具型芯(6)干燥凝固。
8.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型的制备方法，其特征在于，步骤(4)中采用高温烧结的方式去除树脂双浇道母模具。
9.一种权利要求1-8任一项所述的制备方法制备的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型，其特征在于，包括不同材料的模具型壳(7)和模具型芯(6)，模具型壳(7)和模具型芯(6)通过陶瓷棒连接。
10.一种权利要求9所述的一种空心涡轮叶片的多材料一体化铸型，其特征在于，所述模具型壳的材料为氧化铝或碳化硅，所述模具型芯的材料为氧化硅。
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|---|---|
| CN115041631B (zh) | 2023-10-27 |
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