CN116851640A - 一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，包括涂料制备，所述涂料包括面层涂料、过渡层涂料、背层涂料；面层涂覆；过渡层涂覆；背层涂覆；模壳脱蜡；浇注口边缘内外封浆等步骤。该熔模铸造硅溶胶模壳制造工艺，通过对于浇注口增加边缘内外封浆工艺，从而对浇注口内外粘结的粒状填料进行加固，防止浇注口上的粒状填料脱落进入模壳内；将模壳的涂覆分成三种不同的涂料，并且面层涂料采用粒度较细的铝酸钴粉末添加剂，从而可以增加模壳面层的光滑性，使面层的表面更加细密得到内表面晶粒细化的模壳，从而使浇注的涡轮铸件形成细晶铸件，其表面更加光滑，精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮精细化模壳制造领域，具体是指一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法。
背景技术
涡轮发动机在航空航天、航海的船舶发动机等领域得到广泛应用。所以发动机的涡轮转子的制造是重中之重。由于涡轮叶片型面构造复杂，叶间间隙小，传统机械加工制造十分困难，采用熔模铸造方法能够完成微型涡轮整体成型。而且熔模铸造在零件精度、表面粗糙度上优于其他铸造方法，在航空航天、船舶发动机领域使用的涡轮对于涡轮叶片表面的光滑度提出了更高的要求，所以在熔模铸造过程中对于模壳，尤其是模壳的表面晶粒细化的要求有所提高。
熔模铸造又称失蜡铸造，包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序。传统的失蜡铸造技术是用蜡制作所要铸成零件的蜡模，然后蜡模上涂以浆料，这就是。模壳晾干后，放入热水中将内部蜡模熔化。将熔化完蜡模的模壳取出再焙烧成陶模。一经焙烧。一般制模壳时就留下了浇注口，再从浇注口灌入金属熔液，冷却后，所需的零件就制成了。熔模铸造工艺过程十分复杂，工艺参数较多，传统的熔模铸造方法在生产例如涡轮这种薄壁复杂工件方面，产品缺陷较高，其中较为常见的问题是模壳浇注口边缘上用于成型模壳的砂粒容易脱落进入模壳内，从而影响产品质量。
鉴于以上，本申请提出一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法来解决上述问题。本申请针对微型涡轮复杂的薄壁叶形结构，采取熔模精密铸造方式。在模壳的内表面形成细晶模壳，目的在于提高涡轮铸件表面质量，制造出涡轮的细晶铸件。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，包括以下步骤：
(1)涂料制备，所述涂料包括面层涂料、过渡层涂料、背层涂料；
(2)面层涂覆，对蜡模使用清洗液清洗，待清洗液滴净后进行面层涂覆，采用沾浆方式，使用面层涂料对蜡模面层均匀涂覆；
(3)过渡层涂覆，待面层涂料干燥后沾取过渡层涂料，将沾浆后的模壳以斜向上45°逐渐深入撒砂机中，然后左右翻动，逐层撒砂；
(4)背层涂覆，待过渡层涂料干燥后，沾取背层涂料，将沾浆后的模壳以斜向上45°逐渐深入撒砂机中，然后左右翻动，逐层撒砂；
(5)模壳脱蜡，模壳干燥完成后，对模组进行脱蜡处理，将模组浇注口向下放置，送入脱蜡釜中脱去模壳内的蜡料；
(6)浇注口边缘内外封浆，将模壳的浇注口朝下浸入背层涂料中，使浇注口边缘内外均匀沾取涂料，干燥后形成浇注口保护层；
(7)焙烧，将模壳浇注口向下放置送入焙烧炉中，焙烧温度为950℃，焙烧时间在1.5-2h，从而得到模壳成品。
进一步的，所述面层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、铝酸钴粉末500-800份、湿润剂1-2份、消泡剂1-2份、石墨烯分散液3-5份；所述铝酸钴粉末为325目，粒径为35-50μm。
进一步的，所述涂料中至少面层涂料内添加有石墨烯，所述石墨烯粒径＜10μm。
进一步的，所述石墨烯分散液配制方法为，将石墨烯浆料、分散剂与蒸馏水混合搅拌均匀形成石墨烯混合液，采用机械搅拌加超声波分散的方法分散处理10-30min，形成石墨烯分散液，所述分散剂为聚氧代乙烯壬基苯基醚。
进一步的，所述过渡层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆石粉350-600份。
进一步的，所述背层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆砂350-600份。
进一步的，所述面层涂料、过渡层涂料、背层涂料内还添加有防火材料，所述防火材料为为氧化硅粉末、氧化锆粉末、氧化铝粉末或氧化镁粉末中的一种或两种以上的任意组合物。
进一步的，所述消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚或聚二甲基硅氧烷中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该熔模铸造硅溶胶模壳制造工艺，通过对于浇注口增加边缘内外封浆工艺，从而对浇注口内外粘结的粒状填料进行加固，防止浇注口上的粒状填料脱落进入模壳内；将模壳的涂覆分成三种不同的涂料，并且面层涂料采用粒度较细的铝酸钴粉末添加剂，从而可以增加模壳面层的光滑性，使面层的表面更加细密得到内表面晶粒细化的模壳，从而使浇注的涡轮铸件形成细晶铸件，其表面更加光滑，精度更高；在面层内添加石墨烯添加剂，由于石墨烯具有高强度、高韧性、耐久性好，填充效果好，比表面积大以及其独特的二维蜂窝状点阵结构，从而可以使面层营造处更加平滑的效果，并且使面层的抗裂性能、机械强度均得到有效的提高。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：
一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，包括以下步骤：
(1)涂料制备，所述涂料包括面层涂料、过渡层涂料、背层涂料；面层涂料将直接与金属液接触，应不与金属液及其氧化物发生反应，并形成平整、致密、坚实而光滑的壳型表面，以确保铸件表面光滑平整、轮廓清晰、无表面缺陷。背层涂料要求强度大，抗变形能力高，为了确保壳型在浇注时具有良好的力学性能。过渡层涂料则是为了更好的将面层和背层涂料结合起来
面层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、铝酸钴粉末500-800份、湿润剂1-2份、消泡剂1-2份；所述铝酸钴粉末为325目，粒径为35-50μm。
所述过渡层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆石粉350-600份，所述锆石粉为70-120目。
所述背层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆石粉50-100份、锆砂350-600份，所述锆砂为20-50目。
硅溶胶是一种优质熔模铸造用水基粘结剂用于上述各个壳层。硅溶胶易配制成高粉液比的优质涂料，涂料稳定性好。用硅溶胶制成的模壳不需要化学硬化，模壳制造过程无空气污染
可以选择的在面层涂料、过渡层涂料、背层涂料内还添加有防火材料，所述防火材料为为氧化硅粉末、氧化锆粉末、氧化铝粉末或氧化镁粉末中的一种或两种以上的任意组合物。
配制涂料时要先将硅溶胶加入搅拌桶中，并按比例加入润湿剂，可选择的加入耐火材料，并将块状物击碎，然后搅拌1h左右，向涂料中加入消泡剂，继续搅拌2h后，观察涂料中是否含有气泡，如果有气泡存在，则必须继续添加消泡剂，但总量不要超过0.4％，所述消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚或聚二甲基硅氧烷中的一种。
所述过渡层涂料与背层涂料与面层涂料配制方法相类似，将对应的组分进行均匀混合，配制涂料时，要求涂料中的各种成分完全混合，密度均匀，保持湿润状态。为保证涂料的均匀性，使用耐火材料时必须要与粘结剂完全混合，这样才能保证涂料的使用性能良好。涂料在配制过程中，涂料成分的配制比例，加入涂料成分的顺序，涂料搅拌机的使用，以及搅拌时间的长短都是影响涂料最终性能的几个关键因素。
(2)面层涂覆，对蜡模使用清洗液清洗，清洗液为ZF-301乳化水清洗剂与自来水以1：1比例配成清洗液，对蜡模进行清洗；待清洗液滴净后进行面层涂覆；采用沾浆方式，使用面层涂料对蜡模面层均匀涂覆；沾浆时，将蜡模倾斜向下45°浸入面层涂料中，并转动蜡模，然后观察蜡模表面是否存在气泡或者未均匀覆盖的部分，存在气泡则用喷气枪刺破并采用细毛刷均匀涂覆未覆盖涂料的部分，然后将模组悬挂在支架上等待后续过渡层涂覆和撒砂。
(3)过渡层涂覆，待面层涂料干燥后沾取过渡层涂料，将步骤(2)中加工干燥后的模壳蘸取硅溶胶，然后将沾浆后的模壳以斜向上45°逐渐深入撒砂机中，然后左右翻动，逐层撒砂，过渡层所撒的砂为煤矸粉或者高岭石熟料，本步骤中撒砂的粒度为30-60目；过渡层可以根据需要进行多次反复涂覆；
(4)背层涂覆，待过渡层涂料干燥后，沾取背层涂料，将沾浆后的模壳以斜向上45°逐渐深入撒砂机中，然后左右翻动，逐层撒砂，本步骤中的涂覆方法与步骤(3)相同，但是背层的组分锆石粉以及煤矸粉的粒度为16-30目；
(5)模壳脱蜡，模壳干燥完成后，对模组进行脱蜡处理，将模组浇注口向下放置，送入脱蜡釜中脱去模壳内的蜡料；
(6)浇注口边缘内外封浆，将模壳的浇注口朝下浸入背层涂料中，使浇注口边缘内外均匀沾取涂料，干燥后形成浇注口保护层；模壳的浇筑口是整个模壳的薄弱环节，在后续加工过程中容易磕碰导致掉渣的情况出现，渣子掉入模壳内不易发觉，一旦继续加工，所浇注的工件必定存在缺陷，本步骤对浇注口进行封浆可以大大提高浇注口边缘的强度，对于背层的砂粒固定加强，并且平滑度提高，从而避免掉渣的情况出现。
(7)焙烧，将模壳浇注口向下放置送入焙烧炉中，焙烧温度为950℃，焙烧时间在1.5-2h，从而得到模壳成品。
本实施例由于在浇注口增加浇注口边缘的内外封浆，保持了浇注口部位的整体性，其次，采用的硅溶胶与铝酸钴粉末的面层可以形成细晶模壳，浇注时，铸件可以较好的贴敷在蜡模表面，模壳成型较为准确。
实施例二：
本实施例的制造方法与实施例一大体相同，区别在于，本实施例中在涂料中增加有石墨烯的成分，利用石墨烯独特的二维蜂窝状点阵结构比表面积大，高强度、高韧性、耐久性好，填充效果好的特点对涂料进行改性优化，具体的，涂料中至少面层涂料内添加有石墨烯，所述石墨烯粒径＜10μm。本实施例中以面层涂料添加石墨烯为例，所述面层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆石粉500-800份、湿润剂1-2份、消泡剂1-2份、石墨烯分散液3-5份。
所述石墨烯分散液配制方法为，将石墨烯浆料、分散剂与蒸馏水混合搅拌均匀形成石墨烯混合液，采用机械搅拌加超声波分散的方法分散处理10-30min，形成石墨烯分散液，所述分散剂为聚氧代乙烯壬基苯基醚。面层涂料配制时石墨烯分散液单独配制，其他组分共同配制，然后将两者混合均匀，实际使用时可以使用搅拌配合超声波分散对两者进行均匀混合，由此配制成本实施例中的面层涂料。
进一步的，各层涂料的涂覆方法，以及脱蜡、焙烧的方式均相同，可以理解的是，本实施例也可以使用对浇注口边缘内外的封浆工艺。
由于涡轮发动机涡轮转子整体尺寸较小，叶片厚度较薄，最薄处仅为1.3mm，且结构十分复杂，呈扭曲状，要求表面粗糙度为3.2μm；由此则对模壳的精度要求很高，尤其是对于面层的要求更加苛刻，经实验表明，本实施例中，对于面层涂料中添加石墨烯分散液的工艺，可以使面层表面更加细腻平滑，利用石墨烯二维平面的特性可以填充面层涂料内部的缝隙，其微观光滑的二维平面，在宏观上可以提升涂料干燥后面层的平滑性，从而使浇注成型的涡轮表面光洁度提升，满足粗糙度的要求。
对比例：
本实施例中作为与实施例一的对比，对于模壳的制作工艺总体相同，区别在于，本实施例中去除浇注口边缘内外封浆的工艺。经实验表明，本对比例，在面层的光滑细密程度与实施例一相当，但是浇注口边缘颗粒度较大，脆性较强，在模壳摆放库存等操作时，模壳间的浇筑口容易相互磕碰发生掉渣等情况，容易导致浇注的次品率升高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)涂料制备，所述涂料包括面层涂料、过渡层涂料、背层涂料；
(2)面层涂覆，对蜡模使用清洗液清洗，待清洗液滴净后进行面层涂覆，采用沾浆方式，使用面层涂料对蜡模面层均匀涂覆；
(3)过渡层涂覆，待面层涂料干燥后沾取过渡层涂料，将沾浆后的模壳以斜向上45°逐渐深入撒砂机中，然后左右翻动，逐层撒砂；
(4)背层涂覆，待过渡层涂料干燥后，沾取背层涂料，将沾浆后的模壳以斜向上45°逐渐深入撒砂机中，然后左右翻动，逐层撒砂；
(5)模壳脱蜡，模壳干燥完成后，对模组进行脱蜡处理，将模组浇注口向下放置，送入脱蜡釜中脱去模壳内的蜡料；
(6)浇注口边缘内外封浆，将模壳的浇注口朝下浸入背层涂料中，使浇注口边缘内外均匀沾取涂料，干燥后形成浇注口保护层；
(7)焙烧，将模壳浇注口向下放置送入焙烧炉中，焙烧温度为950℃，焙烧时间在1.5-2h，从而得到模壳成品。
2.根据权利要求1所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述面层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、铝酸钴粉末500-800份、湿润剂1-2份、消泡剂1-2份、石墨烯分散液3-5份；所述铝酸钴粉末为325目，粒径为35-50μm。
3.根据权利要求2所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述涂料中至少面层涂料内添加有石墨烯，所述石墨烯粒径＜10μm。
4.根据权利要求3所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述石墨烯分散液配制方法为，将石墨烯浆料、分散剂与蒸馏水混合搅拌均匀形成石墨烯混合液，采用机械搅拌加超声波分散的方法分散处理10-30min，形成石墨烯分散液，所述分散剂为聚氧代乙烯壬基苯基醚。
5.根据权利要求1所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述过渡层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆石粉350-600份。
6.根据权利要求1所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述背层涂料中的各组份按重量份包括硅溶胶300-400份、锆砂350-600份。
7.根据权利要求1所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述面层涂料、过渡层涂料、背层涂料内还添加有防火材料，所述防火材料为为氧化硅粉末、氧化锆粉末、氧化铝粉末或氧化镁粉末中的一种或两种以上的任意组合物。
8.根据权利要求3所述的一种熔模铸造用涡轮模壳晶粒细化制造方法，其特征在于，所述消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚或聚二甲基硅氧烷中的一种。
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