一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，首先制備與空心渦輪葉片內(nèi)部的多個主冷卻通道相對應(yīng)的多個氧化鋁陶瓷型芯；然后制備相鄰兩個氧化鋁陶瓷型芯之間的沖擊孔芯，其中沖擊孔芯中心為鉬絲，表面為陶瓷層；將沖擊孔芯和多個氧化鋁陶瓷型芯進(jìn)行組合裝配，并置于空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞咧校缓笙蛳災(zāi)Ｄ＞叩男颓恢凶⑾?、待蠟?zāi)毯蠓蛛x蠟?zāi)Ｄ＞?，在蠟型表面噴涂陶瓷漿料制備陶瓷型殼，經(jīng)化蠟、焙燒后，制得含有型芯和型殼結(jié)構(gòu)的陶瓷鑄型；向陶瓷鑄型中澆注高溫金屬液，待金屬液凝固后，清除陶瓷鑄型，得到包括多個主冷卻通道和沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片。本發(fā)明主要用于解決熔模鑄造過程中沖擊孔芯難以成型或強度不足、成芯率低的問題。
【專利說明】一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熔模鑄造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其適用于現(xiàn)有熔模鑄造成型率低的沖擊孔結(jié)構(gòu)及其它復(fù)雜、細(xì)小及異形結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]熔模鑄造是一種適用于制造含有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)特征的金屬零件的一種方法，因此在空心渦輪葉片制造領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。熔模鑄造中多采用注射成型法制備陶瓷型芯，但是在制備型芯中的復(fù)雜的細(xì)小結(jié)構(gòu)特征時，模具型腔的制造非常困難，另外在成型過程中陶瓷粉末的良好流動性是以加入大量的有機粘接劑為基礎(chǔ)的，在后續(xù)的燒結(jié)脫脂過程中容易造成型芯特別是細(xì)小結(jié)構(gòu)特征的開裂。此外，在熔模鑄造中注蠟、脫蠟和澆注熔融金屬過程中，陶瓷鑄型中型芯的細(xì)小結(jié)構(gòu)特征在熔融石蠟和金屬液沖擊力、熱應(yīng)力和其它作用力下，容易因強度不足而斷裂，最終影響葉片制造的成功率。
[0003]針對陶瓷型芯細(xì)小結(jié)構(gòu)特征難以成型或強度低、容易斷裂的問題，當(dāng)前的一種解決方法是采用耐高溫金屬鎢、鉭、鑰、鈮等絲材或板材代替陶瓷型芯中細(xì)小結(jié)構(gòu)特征，以增強細(xì)小結(jié)構(gòu)的機械強度，并通過化學(xué)氣象沉積、物理氣象沉積、等離子噴涂、電泳或者溶膠-凝膠法在金屬表面制備陶瓷涂層，以阻礙澆注葉片時金屬材料向葉片高溫熔融液體中溶解。上述方法為熔模鑄造過程中陶瓷模具型芯細(xì)小結(jié)構(gòu)特征難以成型和強度不足、容易斷裂的問題提供了一種解決途徑，但需要使用電火花切割、激光切割、磨削、沖壓、折彎、焊接等一系列復(fù)雜的機加工和材料成型工藝，以獲得尺寸精度高、能精確匹配冷卻通道主型芯輪廓特征的細(xì)小復(fù)雜金屬芯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，該方法將光固化快速成型技術(shù)、凝膠注模技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)熔模鑄造中，制造中心為難熔金屬鑰絲、表面為陶瓷層的沖擊孔芯，并將沖擊孔芯與空心渦輪葉片主冷卻通道的型芯進(jìn)行組合，解決沖擊孔芯強度不足、容易斷裂的問題。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案:
[0006]一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，包括以下步驟:
[0007]I)首先通過注射成型法制備與空心渦輪葉片內(nèi)部多個主冷卻通道相對應(yīng)的多個氧化鋁陶瓷型芯，其中，至少有兩個相鄰的氧化鋁陶瓷型芯上均包含了裝配沖擊孔芯的凹槽結(jié)構(gòu)；
[0008]2)制備沖擊孔芯的樹脂模具，并將鑰絲置于樹脂模具中，接下來將有機物溶于去離子水中制成預(yù)混液，隨后在預(yù)混液中加入陶瓷粉末制成陶瓷漿料，灌注前向陶瓷漿料中加入引發(fā)劑和催化劑，并混合均勻；
[0009]3)將加入引發(fā)劑和催化劑的陶瓷漿料灌注入沖擊孔芯的樹脂模具中，填充樹脂模具殼體內(nèi)壁與鑰絲之間的孔道區(qū)域，在陶瓷漿料原位固化后制得中心為鑰絲表面為陶瓷的沖擊孔芯坯體，再依次經(jīng)干燥、加熱脫脂、燒結(jié)后制得由鑰絲和陶瓷復(fù)合的沖擊孔芯；
[0010]4)將由鑰絲和陶瓷復(fù)合的沖擊孔芯與步驟I)制備的多個氧化鋁陶瓷型芯進(jìn)行組合裝配，并置于空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞咧?，然后向蠟?zāi)Ｄ＞叩男颓恢凶⑾?、待型腔中的蠟?zāi)毯蠓蛛x蠟?zāi)Ｄ＞?，在蠟型表面涂掛陶瓷漿料制備陶瓷型殼，經(jīng)化蠟、焙燒工藝后，制得含有型芯和型殼結(jié)構(gòu)的陶瓷鑄型；
[0011]5)向步驟4)制得的陶瓷鑄型中澆注熔融高溫金屬液，待金屬液冷卻凝固成型后，清除陶瓷鑄型、多個氧化鋁陶瓷型芯以及沖擊孔芯，得到包括多個主冷卻通道和沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，空心渦輪葉片內(nèi)部至少有兩個相鄰的主冷卻通道之間設(shè)有沖擊孔。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，陶瓷粉末為氧化鋁陶瓷粉末。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，沖擊孔的直徑為Imm?1.5mm,鑰絲的直徑為0.2mm。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，樹脂模具采用激光快速固化光敏樹脂制備，且該樹脂模具能夠通過加熱脫脂去除。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，陶瓷漿料中陶瓷粉末占陶瓷漿料的質(zhì)量比為80%?88%,余量為去尚子水。
[0017]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，有機物為丙烯酰胺單體和N，N' —亞甲基雙丙烯酰胺按的質(zhì)量比為(15-25):1配成的混合物，有機物在去離子水中質(zhì)量濃度為10%?20% ;引發(fā)劑為過硫酸胺水溶液，催化劑為四甲基乙二胺水溶液，二者的加入量分別為預(yù)混液質(zhì)量的
0.5 ?1%和 0.1% ?1%。
[0018]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，加熱脫脂采取先慢后快的加熱方式，加熱設(shè)備為箱式電阻加熱爐，室溫入爐以每小時30V升溫至300°C，保溫0.5?I小時；接著以每小時100°C?150°C升溫至600°C，保溫0.5?I小時；再以每小時200°C?300°C升溫至900°C?1000°C，
保溫3?5小時；隨爐冷卻至室溫。
[0019]本發(fā)明進(jìn)一步改進(jìn)在于，在脫芯時，將空心渦輪葉片置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的KOH溶液中除去氧化鋁陶瓷型芯及鑰絲表層氧化鋁陶瓷，再將鑰絲從空心渦輪葉片中空的主冷卻通道中機械抽出。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果:
[0021]本發(fā)明通過在樹脂模具中放置耐高溫難熔金屬鑰絲和澆注固化陶瓷漿料，制造中心為難熔金屬絲、表面為陶瓷層、含有多個沖擊孔芯的一體化結(jié)構(gòu)，并與主冷卻通道型芯進(jìn)行組裝，能有效解決傳統(tǒng)熔模鑄造過程中沖擊孔芯強度不足、容易斷裂的問題，同時多個沖擊孔芯一體成型，也降低了后續(xù)裝配誤差。
[0022]本發(fā)明僅僅使用了簡單的圓柱形難熔金屬鑰絲，并使用凝膠注模法成型固化鑰絲表面陶瓷層，工藝過程簡單易控，同時僅僅依靠樹脂模具即可保證沖擊孔芯的外形輪廓和尺寸,省去了現(xiàn)有金屬芯成型過程中所需的復(fù)雜機加工和材料成型工藝,簡化了工藝過程，同時可快速適應(yīng)沖擊孔芯結(jié)構(gòu)設(shè)計的變化。
[0023]本發(fā)明主要解決了熔模鑄造過程中沖擊孔芯強度不足、成芯率低的問題，但也適用于型芯的其它復(fù)雜、異形和細(xì)小結(jié)構(gòu)特征?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]圖1是空心渦輪葉片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是圖1的A-A向視圖；
[0026]圖3是圖1的局部剖視圖；
[0027]圖4為圖1中三個主冷卻通道相對應(yīng)的氧化鋁陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖4a為第一主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b為第二主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4c為第三主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5是沖擊孔芯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖6是圖5的分解圖；
[0030]圖7為樹脂模具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖8是圖7的分解圖；
[0032]圖9為放置鑰絲后的樹脂模具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖10為空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞叩慕Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖11為注蠟后空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞叩慕Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖12為含有型芯和型殼結(jié)構(gòu)的陶瓷鑄型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖中:1為第一主冷卻通道,2為第二主冷卻通道,3為第三主冷卻通道,4為沖擊孔，5為第一主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯，501為第一凹槽結(jié)構(gòu)，6為第二主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯，601為第二凹槽結(jié)構(gòu)，7為第三主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯，8為鑰絲表面陶瓷層，9為第一鑰絲，10為第二鑰絲，11為樹脂模具，12為樹脂模具分體a，13為樹脂模具分體b，14為放置鑰絲的弧形槽，15為空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞撸?6為蠟?zāi)Ｄ＞叩男颓唬?7為沖擊孔芯，18為臘型，19為陶瓷型殼。
【具體實施方式】
[0037]以下對照圖1至圖12和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，以完整準(zhǔn)確的理解本發(fā)明的特點。
[0038]以下是發(fā)明人給出的一個具體的實施例。
[0039]本發(fā)明一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，包括以下步驟:
[0040]I)制造主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯和沖擊孔芯
[0041]參見圖1，該空心渦輪葉片的內(nèi)部包括第一主冷卻通道1、第二主冷卻通道2、第三主冷卻通道3和沖擊孔4，其中，沖擊孔4位于第一主冷卻通道I和第二主冷卻通道2之間。
[0042]參見圖2至圖4，首先，通過注射成型法制備與空心渦輪葉片內(nèi)部第一主冷卻通道
1、第二主冷卻通道2及第三主冷卻通道3相對應(yīng)的第一主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯5、第二主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯6及第三主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯7，第一主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯5和第二主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯6上分別包含了裝配沖擊孔芯17的第一凹槽結(jié)構(gòu)501和第二凹槽結(jié)構(gòu)601。
[0043]參見圖5至圖9，然后，采用激光快速固化光敏樹脂制備沖擊孔芯17的樹脂模具，該樹脂模具包含了樹脂模具分體al2和樹脂模具分體bl3，二者可以粘接組合以方便鑰絲的放入，并且在樹脂模具分體al2上設(shè)計有放置鑰絲的弧形槽14，放置鑰絲的弧形槽14共4個，在樹脂模具分體al2的兩端各兩個，以用來定位鑰絲。接下來，將第一鑰絲9和第二鑰絲10放置于樹脂模具中，其中第二鑰絲10是由不同長度絲材釬焊而成。
[0044]將有機物溶于去離子水中制成預(yù)混液，隨后加入陶瓷粉末制成陶瓷漿料，灌注前加入引發(fā)劑和催化劑，混合均勻。其中氧化鋁陶瓷顆粒占漿料的質(zhì)量比為80%?88%，余量為去離子水；有機物為丙烯酰胺單體、N，N' —亞甲基雙丙烯酰胺按(15-25):1的質(zhì)量比配成的混合物，在去離子水中質(zhì)量濃度為10%?20% ;引發(fā)劑和催化劑為過硫酸胺水溶液和四甲基乙二胺水溶液，二者的加入量分別為預(yù)混液質(zhì)量的0.5?1%和0.1%?1%。
[0045]將陶瓷漿料灌注入樹脂模具中，填充樹脂模具殼體內(nèi)壁與鑰絲之間的孔道區(qū)域，在陶瓷漿料原位固化后制得中心為耐高溫難熔金屬鑰絲表面為陶瓷的沖擊孔芯坯體，再經(jīng)干燥、脫脂、燒結(jié)后制得由鑰絲和陶瓷復(fù)合的沖擊孔芯17，沖擊孔芯17的表面為鑰絲表面陶瓷層8。
[0046]其中，加熱脫脂采取先慢后快的加熱方式，加熱設(shè)備為箱式電阻加熱爐，室溫入爐以每小時30°C升溫至300°C，保溫0.5?I小時；接著以每小時100°C?150°C升溫至600°C，保溫0.5?I小時；再以每小時200°C?300°C升溫至900°C?1000°C，保溫3?5小時；隨爐冷卻至室溫，得到?jīng)_擊孔芯17。
[0047]2)制造空心渦輪葉片鑄型
[0048]參見圖10至圖12，將沖擊孔芯17與第一主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯5、第二主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯6及第三主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯7，并固定于空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞?5中，其中，沖擊孔芯17設(shè)置在第一主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯5與第二主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯6之間，這樣在空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞?5的兩個半體之間就形成蠟?zāi)Ｄ＞叩男颓?6，經(jīng)注蠟(如圖11)和分離蠟?zāi)Ｄ＞吆螅玫胶行托镜南炐?8。
[0049]在蠟型18表面涂掛氧化鋁陶瓷漿料制備陶瓷型殼19，經(jīng)化蠟和焙燒工藝處理后，制得最終用于灌注熔融高溫金屬液的陶瓷鑄型，它包含了三個主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯、沖擊孔芯17和空心渦輪葉片的原型空腔。
[0050]3)鑄造空心渦輪葉片
[0051]對陶瓷鑄型進(jìn)行預(yù)熱并在其型腔中澆注熔融金屬液，待鑄件冷卻后，用機械和化學(xué)相結(jié)合的方法清理陶瓷鑄型的陶瓷型殼19、三個主冷卻通道的氧化鋁陶瓷型芯及沖擊孔芯17中的鑰絲，獲得帶有主冷卻通道孔和沖擊孔的空心渦輪葉片。
[0052]綜上所述，本發(fā)明制造中心為難熔金屬鑰絲、表面為陶瓷層、含有多個沖擊孔芯的一體化結(jié)構(gòu)，并與空心渦輪葉片主冷卻通道型芯進(jìn)行組裝，其最大優(yōu)勢在于能有效解決傳統(tǒng)熔模鑄造過程中沖擊孔芯強度不足、容易斷裂的問題，而且多個沖擊孔芯一體成型，也降低了后續(xù)裝配誤差。此外，本發(fā)明僅僅使用了簡單的圓柱形鑰絲，并使用凝膠注模法成型固化鑰絲表面陶瓷層，工藝過程簡單易控，同時使用光固化快速成型技術(shù)制造樹脂模具，利用樹脂模具控制沖擊孔芯的外形、尺寸及與主冷卻通道型芯匹配處的輪廓形狀，省去了現(xiàn)有金屬芯成型過程中所需的復(fù)雜機加工和材料成型工藝。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)首先通過注射成型法制備與空心渦輪葉片內(nèi)部多個主冷卻通道相對應(yīng)的多個氧化鋁陶瓷型芯，其中，至少有兩個相鄰的氧化鋁陶瓷型芯上均包含了裝配沖擊孔芯的凹槽結(jié)構(gòu)； 2)制備沖擊孔芯的樹脂模具，并將鑰絲置于樹脂模具中，接下來將有機物溶于去離子水中制成預(yù)混液，隨后在預(yù)混液中加入陶瓷粉末制成陶瓷漿料，灌注前向陶瓷漿料中加入引發(fā)劑和催化劑，并混合均勻； 3)將加入引發(fā)劑和催化劑的陶瓷漿料灌注入沖擊孔芯的樹脂模具中，填充樹脂模具殼體內(nèi)壁與鑰絲之間的孔道區(qū)域，在陶瓷漿料原位固化后制得中心為鑰絲表面為陶瓷的沖擊孔芯坯體，再依次經(jīng)干燥、加熱脫脂、燒結(jié)后制得由鑰絲和陶瓷復(fù)合的沖擊孔芯； 4)將由鑰絲和陶瓷復(fù)合的沖擊孔芯與步驟I)制備的多個氧化鋁陶瓷型芯進(jìn)行組合裝配，并置于空心渦輪葉片的蠟?zāi)Ｄ＞咧?，然后向蠟?zāi)Ｄ＞叩男颓恢凶⑾灐⒋颓恢械南災(zāi)毯蠓蛛x蠟?zāi)Ｄ＞?，在蠟型表面涂掛陶瓷漿料制備陶瓷型殼，經(jīng)化蠟、焙燒工藝后，制得含有型芯和型殼結(jié)構(gòu)的陶瓷鑄型； 5)向步驟4)制得的陶瓷鑄型中澆注熔融高溫金屬液，待金屬液冷卻凝固成型后，清除陶瓷鑄型、多個氧化鋁陶瓷型芯以及沖擊孔芯，得到包括多個主冷卻通道和沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，空心渦輪葉片內(nèi)部至少有兩個相鄰的主冷卻通道之間設(shè)有沖擊孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，陶瓷粉末為氧化鋁陶瓷粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，沖擊孔的直徑為Imm?1.5mm,鑰絲的直徑為0.2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，樹脂模具采用激光快速固化光敏樹脂制備，且該樹脂模具能夠通過加熱脫脂去除。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，陶瓷漿料中陶瓷粉末占陶瓷漿料的質(zhì)量比為80%?88%，余量為去離子水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，有機物為丙烯酰胺單體和N，N' —亞甲基雙丙烯酰胺按的質(zhì)量比為(15-25):1配成的混合物，有機物在去離子水中質(zhì)量濃度為10%?20%;引發(fā)劑為過硫酸胺水溶液，催化劑為四甲基乙二胺水溶液，二者的加入量分別為預(yù)混液質(zhì)量的0.5?1%和0.1%?1%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，力口熱脫脂采取先慢后快的加熱方式，加熱設(shè)備為箱式電阻加熱爐，室溫入爐以每小時30°C升溫至300°C，保溫0.5?I小時；接著以每小時100°C?150°C升溫至600°C，保溫0.5?I小時；再以每小時200°C?300°C升溫至900°C?1000°C，保溫3?5小時；隨爐冷卻至室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有沖擊孔結(jié)構(gòu)的空心渦輪葉片制造方法，其特征在于，在脫芯時，將空心渦輪葉片置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的KOH溶液中除去氧化鋁陶瓷型芯及鑰絲表層氧化鋁陶瓷，再將鑰絲從空心渦輪葉片中空的主冷卻通道中機械抽出。
【文檔編號】B22C9/04GK103990761SQ201410234755
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】李滌塵, 田國強, 魯中良, 苗愷 申請人:西安交通大學(xué)