一種面向雙層壁空心渦輪葉片的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于快速鑄造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向雙層壁空心渦輪葉片的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪葉片是動(dòng)力設(shè)備的關(guān)鍵部件，由于其處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件。目前渦輪葉片的主要制造工藝是熔模鑄造，其工藝流程主要包括型芯模具的設(shè)計(jì)與制造、壓制型芯、蠟?zāi)Ｄ＞叩脑O(shè)計(jì)與制造、裝配注蠟、涂漿制殼、干燥型殼、脫蠟、燒結(jié)、澆注金屬、脫芯、打孔等環(huán)節(jié)。此方法不足之處是難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)空間交錯(cuò)的空心葉片的制造。隨著葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的葉片制造方法受制造技術(shù)的制約，已難以滿足新型葉片的制造要求。
[0003]為解決葉片承溫能力差和熱強(qiáng)度低的問題，近幾年國(guó)外采用了發(fā)汗冷卻和層板冷卻技術(shù)，進(jìn)一步提高了冷卻效率；但是如何高質(zhì)量低成本地制造出用于發(fā)汗冷卻的雙層壁已成為制約這種冷卻技術(shù)的一個(gè)主要因素。目前的發(fā)汗冷卻葉片對(duì)壁厚和氣流道的要求在
0.5_數(shù)量級(jí)，因此在制造技術(shù)上就要完成多尺度的結(jié)構(gòu)制造(葉片的外形和微小的流道結(jié)構(gòu))，這給制造技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種面向雙層壁空心渦輪葉片的制造方法，該方法基于光固化快速成型工藝、凝膠注模工藝和模壓成型工藝，設(shè)計(jì)合理，所用模具簡(jiǎn)單，制得的葉片成型精度高，孔結(jié)構(gòu)缺陷少。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種面向雙層壁空心渦輪葉片的制造方法，包括以下步驟:
[0007]I)采用三維造型軟件，設(shè)計(jì)出含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂負(fù)型，將葉片原型的葉盆和葉背上與雙層壁的冷卻通道對(duì)應(yīng)的外壁從葉片原型中拆分出來，再以STL格式導(dǎo)入光固化成型機(jī)中，分別制得含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂原型、拆分出的樹脂外壁以及用于形成陶瓷型殼外壁面的樹脂外殼；
[0008]2)制備用于制作陶瓷型芯的陶瓷漿料，將該陶瓷型芯的陶瓷漿料依次經(jīng)球磨、烘干、過篩及悶料處理，然后進(jìn)行模壓成型，制得含有沖擊孔型芯的雙層壁冷卻通道的陶瓷型芯；
[0009]3)將步驟2)制得的陶瓷型芯鑲嵌在含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂原型中，再和拆分出的樹脂外壁相裝配；然后將樹脂外殼與樹脂原型的榫根部分相裝配，制得含有陶瓷型芯的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂負(fù)型；
[0010]4)制備用于制作陶瓷鑄型的陶瓷漿料，將其灌注入步驟3)制得的樹脂負(fù)型中，待該陶瓷鑄型的陶瓷漿料原位固化后形成陶瓷鑄型坯體，再依次經(jīng)冷凍干燥、脫脂預(yù)燒、浸漬和終燒，制得含有陶瓷型芯的雙層壁空心渦輪葉片的陶瓷鑄型；
[0011]5)將制備的陶瓷鑄型預(yù)熱后，向其中澆注熔融的金屬液，待熔融的金屬液凝固成型后，清除陶瓷鑄型，并在葉片鑄件表面加工出氣膜孔，制得含有冷卻通道、氣膜孔和沖擊孔的面向雙層壁空心渦輪葉片。
[0012]步驟2)中用于制作陶瓷型芯的陶瓷漿料是在去離子水中加入陶瓷粉末、增塑劑、潤(rùn)滑劑及燒結(jié)助劑后，將其球磨并烘干，在干燥的坯料中加入粘合劑后混合均勻后制成；
[0013]其中，所述陶瓷粉末為粒徑I?2μπι的α氧化鋁或氧化硅；增塑劑為聚丙烯，用量為陶瓷粉末質(zhì)量的5?8%;潤(rùn)滑劑是硬脂酸，用量為陶瓷粉末質(zhì)量的I?2%;燒結(jié)助劑由氧化鎂和二氧化硅組成，二者分別為陶瓷粉末質(zhì)量的3?4%和4?5% ;粘合劑是質(zhì)量濃度為8%的聚乙烯醇溶液，用量為坯料質(zhì)量的3?5%。
[0014]步驟2)中陶瓷漿料球磨后是在150°C下烘干，過篩時(shí)所用金屬篩為40目，悶料處理時(shí)間為10h，然后在50MPa壓力下模壓成型并保壓3?5min。
[0015]步驟2)中制得陶瓷型芯后，還包括用砂紙將其外表面打磨光滑的操作；步驟3)中將樹脂外殼與樹脂原型的榫根部分相裝配之前還包括在葉片原型的葉盆和葉背上存在配合間隙的地方涂抹一層蠟并打磨平整的操作。
[0016]步驟4)中用于制作陶瓷鑄型的陶瓷漿料是在去離子水中加入有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑混合均勻得到預(yù)混液，再向預(yù)混液中加入陶瓷粉末，經(jīng)球磨后制成，且在陶瓷漿料灌注前加入引發(fā)劑和催化劑并混合均勻，在真空環(huán)境下振動(dòng)并攪拌陶瓷漿料；
[0017]其中，所述有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為N，N' —亞甲基雙丙烯酰胺，二者以質(zhì)量比為(20?25): I配成有機(jī)凝膠，用量為預(yù)混液質(zhì)量的10?20% ;分散劑為質(zhì)量濃度18%的聚丙烯酸鈉，用量為預(yù)混液質(zhì)量的5?8% ;
[0018]所述陶瓷粉末為粒徑2?100 μπι的α氧化鋁或氧化硅，其固相體積分?jǐn)?shù)為陶瓷漿料的55?60%;引發(fā)劑是由四甲基乙二胺和去離子水按1: 3的質(zhì)量比配制而成，用量為預(yù)混液質(zhì)量的4.5?5.0% ;催化劑是由過硫酸銨和去離子水按3: 7的質(zhì)量比配制而成，用量為預(yù)混液質(zhì)量的0.8?1.2%。
[0019]所述球磨速率為60?100r/min，球磨時(shí)間為I?3h，真空環(huán)境下的真空度為2000Pa，振動(dòng)頻率為30?50Hz。
[0020]步驟4)中冷凍干燥是先在_60°C下冷凍，再在I?30Pa的條件下真空干燥；
[0021]脫脂預(yù)燒采取先慢后快的梯度加熱方式，自室溫以20?30°C /h升溫至300?4000C，保溫0.5?lh，再以50?100°C /h升溫至600?750°C，保溫I?2h，最后以100?1500C /h升溫至900?1000°C，保溫2h后隨爐冷卻；
[0022]浸漬是在真空中將脫脂預(yù)燒后的陶瓷鑄型浸入強(qiáng)化液中處理后再將其放入干燥箱烘干；所述強(qiáng)化液為氯化鎂，硅溶膠或硅酸乙酯；
[0023]終燒采取先慢后快的梯度加熱方式，自室溫以20?30°C /h升溫至300?400°C，保溫0.5?lh，再以50?100°C /h升溫至600?750°C，保溫I?2h，最后以200?250°C /h升溫至1250?1300 °C，保溫3?5h后隨爐冷卻。
[0024]所述含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片內(nèi)部至少有一個(gè)主冷卻通道和多個(gè)雙層壁冷卻通道，主冷卻通道和雙層壁冷卻通道之間有若干個(gè)直徑不大于0.5mm的沖擊孔。
[0025]含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂原型和拆分出的樹脂外壁的分界在雙層壁冷卻通道的中間線上，二者表面上均設(shè)有能夠與陶瓷型芯相配合的凹槽。
[0026]步驟I)制得的含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂原型、拆分出的樹脂外壁以及用于形成陶瓷型殼外壁面的樹脂外殼，這三部分構(gòu)成雙層壁空心渦輪葉片的樹脂負(fù)型，該樹脂負(fù)型能夠以加熱分解或化學(xué)腐蝕法去除；
[0027]樹脂負(fù)型的采用光敏樹脂制成，該光敏材料在30 °C下的粘度為240cps，密度
1.2g/cm3，固化時(shí)間5?20h，光固化后拉伸強(qiáng)度45MPa，彈性模量2500MPa，邵氏硬度D為
80 ο
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0029]本發(fā)明公開的面向雙層壁空心渦輪葉片的制造方法，主要解決了傳統(tǒng)鑄造過程中雙層壁冷卻通道和沖擊孔難以成型以及成型質(zhì)量差的問題。該方法首先設(shè)計(jì)制備含有沖擊孔的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂負(fù)型，和雙層壁冷卻通道對(duì)應(yīng)的樹脂外壁與樹脂原型分開制備；其次，基于模壓成型工藝制備雙層壁冷卻通道的陶瓷型芯，將陶瓷型芯鑲嵌在樹脂原型中，再將樹脂原型分別與其外壁和樹脂外殼相裝配，制得含有陶瓷型芯的樹脂負(fù)型，模壓成型工藝使用的模具簡(jiǎn)單、尺寸精度高，適用于尺寸不大的管狀、塊狀和片狀零件的制造；再次，基于凝膠注模工藝制備含有陶瓷型芯的陶瓷鑄型坯體，經(jīng)冷凍干燥、脫脂預(yù)燒和后處理制得陶瓷鑄型；最后，基于鑄造工藝制備渦輪葉片，再加工出氣膜孔，制得含有冷卻通道、氣膜孔和沖擊孔的葉片鑄件。該方法基于光固化快速成型工藝、凝膠注模工藝和模壓成型工藝，制備了含有陶瓷型芯的陶瓷鑄型，僅依靠陶瓷型芯即可保證雙層壁冷卻通道和沖擊孔的外形輪廓和尺寸，簡(jiǎn)化了工藝過程，提高了鑄型制造的效率，葉片成型精度較高，孔結(jié)構(gòu)缺陷少。
【附圖說明】
[0030]圖1是雙層壁空心渦輪葉片的樹脂原型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]其中，I為沖擊孔，2為雙層壁冷卻通道，3為葉身，4為榫根；
[0032]圖2是含沖擊孔型芯的雙層壁冷卻通道的陶瓷型芯結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3是雙層壁空心渦輪葉片的樹脂外壁結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖4是含陶瓷型芯的雙層壁空心渦輪葉片的樹脂負(fù)型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]其中，5為澆冒口，6為葉盆樹脂外壁，7為陶瓷型芯，8為主冷卻通道，9為葉背樹脂外壁，10為樹脂外殼；
[0036]圖5是雙層壁空心渦輪葉片的陶瓷鑄型結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]其中，11為陶瓷型殼，12為陶瓷型芯；
[0038]圖6是雙層壁空心渦輪葉片鑄件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]其中，13為氣膜孔，14為雙層壁冷卻通道，15為沖擊孔。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳