CN1895816A - 失蜡铸造法 - Google Patents

Abstract

一种多层陶瓷壳模的制造方法，所述壳模包括用蜡或其它类似材料的母模制造的至少一层接触层、一层中间层和多层增强层，所述方法包括下列步骤：在含有陶瓷颗粒和粘合剂的第一造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述接触层，形成所述接触层；在含陶瓷颗粒和粘合剂的第二造型涂料中浸渍，在所述中间层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述中间层；在至少一种含有陶瓷颗粒和粘合剂的第三造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述增强层，重复所述形成增强层的步骤直至得到具有设定厚度的壳模；其特征在于造型涂料的陶瓷颗粒包括难熔氧化物或无锆石的难熔氧化物的混合物，并且各层均不含锆石。

Description

失蜡铸造法

技术领域

本发明涉及采用称为失蜡铸造的技术制造部件，例如具有复杂几何形状的金属叶片和护罩。

背景技术

在采用失蜡铸造技术制造涡轮喷气发动机的叶片和护罩，例如转子或定子部件或结构部件时，先使用蜡或者类似的在后道工序中容易处置的材料制得母模。如有必要，可将多个母模聚集成一组。将该母模浸渍在第一造型涂料中形成与该母模表面接触的第一层材料，在该母模周围制得陶瓷模具。为了更容易与随后各层粘结，对该第一层的表面进行喷砂增强，随后将其整体进行干燥(包括施加灰泥和干燥操作)。随后在组成可能不同的造型涂料重复浸渍操作，每次浸渍后均进行施加灰泥和干燥，从而形成由多层构成的陶瓷壳。所述造型涂料包括陶瓷材料颗粒、特别是粉末(例如氧化铝、多铝红柱石、锆石等)与胶体无机粘合剂和(如有必要根据所需的流变性加入的)掺合物。这些掺合物能够控制并稳定不同类型陶瓷层的特性，并且不会由于构成造型涂料的原料的不同物理化学特性而造成开裂。它们可以包括湿润剂、稀释剂或对于所需沉积厚度的结构改进剂。

随后将该壳模脱蜡，该步骤去除构成原始母模的材料。在去除母模后，得到一个陶瓷模具，其模腔复制所述母模的所有细节。接着对该模具进行高温热处理即“焙烧”，使之具有所需的机械性能。

如此得到的壳模可用于铸造金属部件。在检查该壳模的内部和外部完整性以后，后续步骤是将熔融的金属浇注在模腔内，随后固化所述模腔内的金属。目前在失蜡铸造领域中，存在有多种固化技术，因此根据合金的性能和铸造部件所需的性能，对多种铸造技术分类。这些技术分别为柱结构取向固化(DS)、单晶结构取向固化(SX)或等轴固化(EX)。前两类部件(例如HP涡轮叶片)涉及超耐热合金，使该部件能承受涡轮喷气发动机中的高负荷、高热以及高机械强度。

在铸造合金后，抖动(shake out)打破该壳模，完成金属部件的制造。

在铸造步骤中，可采用不同的方法使用多种壳。各种壳应具有能实施所需类型固化的特殊性能。例如，对于等轴固化，可实施多种不同的方法，一种方法使用硅酸乙酯粘合剂，另一种使用胶体二氧化硅粘合剂。对于取向固化，可采用不同的批料(二氧化硅-氧化铝、二氧化硅-锆石或二氧化硅基批料)形成壳。

为了使采用的方法简化并标准化，需要所谓的“单”结构外壳，其性能使之能用于不同的固化情形。

另一方面，为了遵照环境和成本标准，还需要消除使用醇基粘合剂(例如硅酸乙酯)。

出于与废物有关的成本因素，还需要开发一种不含锆石的壳结构。这种材料(即便仅仅带有微弱的放射性)需要建造废物处理工序，这种工序是要求严格的、工业化的并且是高成本的。

发明内容

本发明采用下列方法达到这些目的。

一种多层陶瓷壳模的制造方法，所述壳模包括用蜡或其它类似材料的母模制造的至少一层接触层、一层中间层和多层增强层，所述方法包括下列步骤：

在含有陶瓷颗粒和粘合剂的第一造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述接触层；

在含陶瓷颗粒和粘合剂的第二造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述中间层；

在至少一种含有陶瓷颗粒和粘合剂的第三造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述增强层。重复所述形成增强层的步骤直至得到具有设定厚度的壳模。

本发明方法的特征在于所述造型涂料中陶瓷颗粒包括难熔氧化物或者无锆石难熔氧化物的混合物，并且所述各层均不含有锆石。

较好的是，用于形成增强层的造型涂料是流动性大得多的流体，第二造型涂料同样如此。

已注意到可采用上述技术将具有如此组成和结构但是具有不同接触层的壳模设计成对上述所有铸造均通用。因此可有利地调节模具的机械性能(尤其是对热冲击的敏感性)，以遵照各种固化方法(EX、DS或SX)铸造条件，满足应力的要求。

较好的是，为了满足经济和环境要求，用于各种造型涂料的粘合剂是一种无机胶体溶液，例如胶体二氧化硅。同样，为满足与废物有关的经济要求，用于接触层、中间层和增强层的灰泥颗粒由多铝红柱石而非锆石组成。

为了控制模具的孔隙度并因此控制外壳对热冲击的敏感度，上述施加灰泥步骤采用的灰泥颗粒的粒度为80-1000微米。除此之外，第一层的灰泥较好通过撒布施加，而对于其它层(第四层以后)则较好通过流化床施加。该灰泥是自动施加的，机器人的动作使壳模焙烧后的孔隙度为20-35％。壳模的孔隙度越高，其(例如不同类型的铸造制得的壳)对热冲击的敏感度就越低。具体地说，为了用于两种不同类型的固化模式，所述模具焙烧周期包括加热至1000-1150℃，较好1030-1070℃的温度范围。

使所述接触层适应于所述固化模式。因此，第一造型涂料可由多铝红柱石粉和无锆石氧化铝组成，带有或不带有晶核(germinative)。

在一个具体的实例中，对于DS或SX型固化，所述接触层主要由40-80重量％的多铝红柱石粉组成，并可含有氧化铝粉、胶体二氧化硅基粘合剂和有机掺合物。

在等轴固化的实例中，所述接触层包括40-80重量％的氧化铝粉和2-30重量％多铝红柱石粉的混合物，其余包括胶体二氧化硅基粘合剂、晶核和有机掺合物。

根据另一个特性，所述第二和第三造型涂料对任何固化方法均通用，它们包括45-95重量％氧化铝粉和多铝红柱石粉的混合物和0-25重量％多铝红柱石颗粒。发现如此限定的模具结构一般适合于下列用途：

用柱结构取向固化制造部件，其接触层主要由多铝红柱石粉组成；

用单晶结构取向固化制造部件，其接触层主要由多铝红柱石粉组成；或者

用等轴固化制造部件，其接触层由氧化铝粉和多铝红柱石粉的混合物组成。

本发明还涉及通过浇注熔融金属制造部件的方法，其使用的模具具有通用的壳骨架(通用的中间层和增强层)而与固化类型(柱结构取向固化、单晶结构取向固化和等轴固化)无关。

本发明还涉及一种用于将熔融金属浇注在壳模中制造部件的装置，它包括模具制造工段和不同固化方法的铸造工段，所述铸造工段供有具有相同增强层的模具。

具体实施方式

下面更详细地说明本发明方法。

用于制造对所有类型部件通用的壳模的方法包括第一步，用本领域已知的蜡或另一种类似材料制造母模，最常用的是蜡。根据所述部件的类型，可将多个母模集合成一组以便同时制造多个模具。母模的尺寸和形状与最终部件的尺寸和形状相同，要考虑合金的收缩。

壳的制造步骤较好由机器人实施，该机器人的动作对所有类型的部件是通用的，其控制程序能使沉积的质量最佳并使不同的几何形状的叶片和外罩不开裂。

同时制备各造型涂料，连续浸渍母模或母模组以沉积陶瓷材料。

第一造型涂料特别用于EQX固化。

以重量百分数计，它包括：

-二氧化铝粉(40-80％)和多铝红柱石粉(2-30％)的混合物；

-晶核铝酸钴(0-10％)；

-胶体二氧化硅粘合剂(18-30％)；

-水(0-5％)；

-三种物料的掺合物：湿润剂、稀释剂和结构改进剂。

对于柱结构取向的或单晶结构取向固化，以重量百分数表示的第一造型涂料的组成如下：

-二氧化铝粉(2-30％)和多铝红柱石粉(40-80％)的混合物；

-胶体二氧化硅粘合剂(18-30％)；

-水(0-5％)；

-三种物料的掺合物：湿润剂、稀释剂和结构改进剂。

对所有固化通用的第二中间层造型涂料包括下列组分(重量百分数)：

-氧化铝粉(50-75％)和多铝红柱石粉(5-20％)的混合物；

-胶体二氧化硅粘合剂(20-30％)；

-水(0-5％)；

-三种物料的掺合物：湿润剂、稀释剂和结构改进剂。

对所有固化通用的第三增强造型涂料包括下列组分(重量百分数)：

-二氧化铝粉(30-45％)和多铝红柱石粉(15-30％)的混合物；

-多铝红柱石颗粒(14-24％)；

-胶体二氧化硅粘合剂(10-20％)；

-水(5-15％)；

-四种物料的掺合物：湿润剂、稀释剂、结构改进剂和烧结助剂；

前三种物料分别起下列作用：

-在制造该层的过程中稀释剂能获得所需的更快速的流变性。它起分散剂的作用。它属于氨基酸类、聚丙烯酸铵类或带羟基的三元羧酸类；

-在浸渍过程中湿润剂有助于层的涂覆。湿润剂属于聚亚烷基脂肪醇类或烷氧基化的醇类；

-结构改进剂能使层最佳化以获得合适的沉积。它属于环氧乙烷聚合物类、黄原胶或瓜耳胶。

对于第一层接触层1，一旦从第一造型涂料的浸渍步骤中取出母模后，即将如此涂覆的母模沥干，随后涂覆。接着通过撒布施加“灰泥”颗粒以便不影响薄的接触层。对于施加灰泥步骤，使用多铝红柱石，在该第一层中该多铝红柱石的粒度分布是窄的，为80-250微米。最终的部件的表面状况部分与该粒度分布有关。

干燥第一层。

接着在第二造型涂料中进行浸渍步骤以形成所谓的“中间”层2。与采用的固化模式无关，其组成是相同的。

如前面所述，通过撒布沉积“灰泥”，随后干燥。对于施加灰泥而言，使用多铝红柱石，其粒度分布是中等的，为120-1000微米。最终的壳的多孔表面部分取决于该粒度分布。

随后将母模浸渍在第三造型涂料中形成层3，它是所谓的增强层的第一层。

接着通过撒布施加与层2相同的灰泥，随后干燥。在第三造型涂料中重复所述浸渍、施加灰泥和干燥步骤，形成多层所谓的增强层。对所述增强层，施加灰泥是通过流化床实施的。

对于最后一层，进行上釉操作而不施加灰泥。

最终的壳由5-12层组成。

不同层的浸渍操作是不同的以获得均匀的厚度分布并(尤其在截留区)防止形成气泡。

对每种类型层的浸渍程序进行优化，使之与不同类型部件的几何形状无关，因而对各种部件是通用的。

对每种类型层的中间层干燥范围进行优化，使之与不同类型部件的几何形状无关。该干燥范围因而是通用的。该干燥范围实际上适合各种类型的层，能干燥具有不同几何形状的模具，诸如活动叶片、分布器或结构部件。

形成的最外层的最后干燥对于所有部件均是通用的。

模具的焙烧周期对于所有的固化类型均是相同的，因此与部件的类型无关。它包括升温阶段、在焙烧温度下的保温时间和冷却阶段。选择焙烧周期以优化壳的机械性能，使之能冷处理而无开裂危险，并将其对热冲击(可能在各铸造阶段出现)的敏感度降至最小。

要说明可使用单一的焙烧周期代替过去采用的，用不同的铸造模具制得EQX、DS和SX壳的两种焙烧周期。

Claims (19)

1.一种多层陶瓷壳模的制造方法，所述壳模包括用蜡或其它类似材料的母模制造的至少一层接触层、一层中间层和多层增强层，所述方法包括下列步骤：

在含有陶瓷颗粒和粘合剂的第一造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述接触层，形成所述接触层；

在含陶瓷颗粒和粘合剂的第二造型涂料中浸渍，在所述中间层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述中间层；

在至少一种含有陶瓷颗粒和粘合剂的第三造型涂料中浸渍，在所述层上沉积砂粒并干燥所述层，形成所述增强层，重复所述形成增强层的步骤直至得到具有设定厚度的壳模；

其特征在于所述造型涂料的陶瓷颗粒包括难熔氧化物或无锆石的难熔氧化物的混合物，并且各层均不含锆石。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述难熔氧化物是多铝红柱石或氧化铝。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述用于各种造型涂料的粘合剂基于无机胶体溶液，尤其是胶体二氧化硅。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于所述砂粒由无锆石难熔氧化物，尤其是多铝红柱石颗粒组成。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述颗粒的粒度分布为80-1000微米。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于对于某些层，较好对于前三层，砂粒是通过撒布施加的。

7.如权利要求4-6中任一项所述的方法，其特征在于对于某些层，较好是对于第四层以后的各层，所述砂粒是通过流化层施加的。

8.如权利要求4-7中任一项所述的方法，其特征在于施加所述砂粒使得焙烧后壳的孔隙度为20-35％。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于在相同的干燥范围在连续两层之间进行干燥，这与部件及其几何形状无关。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述浸渍是用机器人实施的，机器人的程序使得其动作是相同的，与部件的几何形状无关。

11.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于在模具上沉积砂粒是由机器人自动进行的，因此机器人的移动是相同的，与部件的几何形状无关。

12.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于最终壳的焙烧周期是独特的，与部件无关，它包括加热至1000-1150℃，较好1030-1070℃。

13.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于，根据部件的制造方法采用取向固化还是等轴固化，第一造型涂料具有不同的氧化铝和多铝红柱石组成。

14.如前面任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述第二和第三造型涂料包括氧化铝粉、多铝红柱石粉和多铝红柱石颗粒的混合物，它对于取向的或等轴固化方法是通用的。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于用于取向固化的第一造型涂料主要含有40-80重量％的多铝红柱石粉，并可含有氧化铝粉、胶体二氧化硅基粘合剂和有机掺合物。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于用于等轴固化的第一造型涂料包括40-80重量％的氧化铝粉和2-30重量％多铝红柱石粉的混合物、胶体氧化硅基粘合剂、晶核和有机掺合物。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述第二和第三造型涂料对所有固化方法是通用的，它们包括45-95重量％氧化铝粉和多铝红柱石粉的混合物和0-25重量％多铝红柱石颗粒。

18.上述任一项权利要求所述的“单”壳模在浇注熔融金属制造部件中的用途，它与柱结构取向固化、单晶结构取向固化还是等轴固化无关。

19.一种用于将熔融金属浇注在壳模中制造部件的装置，它包括如前面任一项权利要求所述的模具制造工段，和不同固化方法的铸造工段，所述铸造工段供有具有相同中间层和增强层的模具。