專利名稱：一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法
一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法技術領域
本發(fā)明屬于快速成型領域，特別指一種高溫合金空心葉片快速鑄造工藝。
技術背景
高溫合金做為葉片材料廣泛應用航空發(fā)動機和燃氣輪機領域。隨著現(xiàn)代科技的 發(fā)展，葉片的結構日益復雜化，葉片的承溫能力也越來越高，但材料自身承受高溫的能力已 不能滿足發(fā)動機及燃機的需求，而采用氣體冷卻技術的空心葉片可以使高溫合金具備更高 的承高溫能力。因此，空心葉片在航空航天、艦船、能源、化工等工業(yè)領域有著特別廣泛的應 用。目前，空心葉片鑄件的內部冷卻結構越來越復雜，其冷卻通道的設計難度也越來越高， 葉片制造的難度也越來越高。高溫合金空心葉片通常采用精密鑄造工藝制備，通常包含多 個技術環(huán)節(jié)，如陶瓷型芯模具的設計與制備，陶瓷型芯的成型及燒結，蠟模模具的設計與制 備，帶陶瓷型芯的蠟模成型，蠟模的涂料制殼、脫蠟及焙燒，葉片澆注及清理等。空心葉片鑄 造完之后還要進行氣體冷卻效果實驗，要不斷調整葉片內部冷卻結構或更改設計以達到最 好的冷卻效果，最后才能制備成品空心葉片，這個周期相當長，制備成本也相當高，如果快 速低成本制備空心葉片是目前生產(chǎn)中急需解決的問題。
快速成型(Rapid !Prototyping)技術是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速 生產(chǎn)樣件或零件的成組技術總稱。其本質是用積分法制造三維實體，將計算機中儲存的任 意三維型體信息傳遞給成型機，通過材料逐層添加法直接制造出來，而不需要特殊的模具、 工具或人工干涉。它集成了 CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代化科技成果。 目前，快速自動成型技術在精密鑄造工藝中已經(jīng)有了一定的應用，但基本還是停留在制備 蠟基模型階段，仍然需要涂料制殼、脫蠟、焙燒、澆注、清理等工序，時間仍然較長，只是節(jié)省 了蠟模模具的制造時間和成本而已，對制備具有空心結構的高溫合金鑄件來說仍然存在很 大的困難。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是開發(fā)出一種可以快速制備具有空心結構高溫合金鑄件的制備工 藝。
本發(fā)明的技術方案為一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)利用計算機設計一體化的陶瓷型芯與模殼；(2)快速成型粉料的制備快速成型粉料中的陶瓷粉料與粘接劑的質量比為90-70 10-30，采用球磨方法對陶瓷粉料與粘接劑進行混料，磨球采用陶瓷球，磨球與快速成型粉 料的質量比為3-5 :1，球磨時間為10-30小時；固化劑占粘接劑質量的8-15% ；(3)采用快速成型技術制備一體化的陶瓷型芯與模殼素坯，快速成型采用常規(guī)的選擇 性激光燒結粉料方法，快速成型粉料成型后采用水清理技術進行清理陶瓷型芯與模殼素坯 表溶膠中浸泡0. 5-2小時，硅溶膠的膠粒半徑為8-30nm ；(4)陶瓷型芯與模殼素坯焙燒，具體工藝為將陶瓷型芯與模殼素坯裝入剛玉舟中，周 圍添滿剛玉粉，剛玉粉的粒度為80-120目，緩慢從室溫升至500°C，保溫2小時，再快速升溫 至800°C，保溫2小時，然后快速升溫到陶瓷型芯燒結溫度，保溫燒結4-5小時，隨爐冷卻至室溫；(5)葉片澆注及清理，陶瓷型芯與模殼素坯預熱溫度為950°C-1050°C，澆注溫度為 1480 0C -1580 0C ；(6)葉片型芯脫除模殼素坯采用機械振動法清除，陶瓷型芯采用高壓下堿液腐蝕清 除，堿液的濃度為20-40%，壓力為3-5個大氣壓，時間為10-60小時，最后采用酸中和葉片表 面及內部的堿并清洗，得到葉片成品。
所述陶瓷粉料采用三氧化二鋁基陶瓷粉料、二氧化硅基陶瓷粉料、或鋯英石基陶 瓷粉料中的一種。
所述陶瓷粉料的配比采用粗細合理搭配的原則，具體為粗粉的粒徑為30_80mm， 細粉的粒徑為10-30nm，粗粉與細粉的質量比例60-80 :40_20。
所述粘接劑采用脲醛樹脂、酚醛樹脂或糠醇樹脂中的一種。
所述固化劑為烏洛托品、氯化銨、烏洛托品水溶液或氯化銨水溶液中的一種。
所述堿液中的堿為KOH或NaOH中的一種。
本發(fā)明的優(yōu)點是可以利用快速成型技術制備具有空心結構的高溫合金鑄件，減少 制作周期，降低成本。
具體實施例方式本發(fā)明的原理為采用快速成型技術和陶瓷型芯與模殼一體化技術，直接制備帶型芯 的模殼，然后經(jīng)焙燒、澆注、清理、脫芯等工序制得空心結構葉片。
下面結合具體實施例對本發(fā)明進行具體說明。
實施例1首先制備快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用三氧化二鋁基陶瓷粉料，陶 瓷粉料的配比采用粗細合理搭配的原則，具體粗粉的粒徑為70mm，細粉的粒徑為30nm，粗 粉與細粉的比例為60 40 ；快速成型粉料的粘結劑采用酚醛樹脂粉；采用球磨方法混合陶 瓷粉料與酚醛樹脂粉；陶瓷粉料與酚醛樹脂的質量比例為85 15,固化劑烏洛托品加入量 為酚醛樹脂質量的8% ；磨球采用陶瓷球，陶瓷球與快速成型粉料的質量比為5 1 ；球磨時間 為10小時制得成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技術進行清理陶瓷型芯與模殼 素坯表面的粉料，然后在空氣中進行干燥；將水清理后的陶瓷型芯與模殼素坯在硅溶膠中 浸泡0. 5小時，硅溶膠的膠粒半徑為8nm ；然后對陶瓷型芯與模殼素坯進行焙燒，焙燒工藝 為將陶瓷型芯與模殼素坯裝入剛玉舟中，周圍添滿剛玉粉，剛玉粉的粒度為120目，緩慢 從室溫升至500°C，保溫2小時，再快速升溫至800°C，保溫2小時，然后快速升溫到陶瓷型 芯燒結溫度1500°C，保溫燒結5小時，隨爐冷卻至室溫，一體化陶瓷型芯與模殼素坯預熱溫 度為950°C，澆注溫度為1480°C ；模殼素坯采用機械振動法清除，陶瓷型芯采用高壓下堿液 腐蝕清除，堿液的濃度為20%，堿為NaOH，壓力為3個大氣壓，時間為20小時，最后采用酸中 和葉片表面及內部的堿并清洗，得到葉片成品。
實施例2首先制備快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用三氧化二鋁基陶瓷粉料，陶 瓷粉料的配比采用粗細合理搭配的原則，具體粗粉的粒徑為70mm，細粉的粒徑為20nm，粗 粉與細粉的比例為80 20 ；快速成型粉料的粘結劑采用酚醛樹脂粉；采用球磨方法混合陶 瓷粉料與酚醛樹脂粉；陶瓷粉料與酚醛樹脂的質量比為80 20,固化劑選用烏洛托品，加入 量為酚醛樹脂質量的12% ；磨球采用陶瓷球，陶瓷球與快速成型粉料的質量比為5 1 ；球磨 時間為10小時制得成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技術進行清理陶瓷型芯與 模殼素坯表面的粉料，然后在空氣中進行干燥；將水清理后的陶瓷型芯與模殼素坯在硅溶 膠中浸泡0.5小時，硅溶膠的膠粒半徑為IOnm ；然后對陶瓷型芯與模殼素坯進行焙燒，焙燒 工藝為將陶瓷型芯與模殼素坯裝入剛玉舟中，周圍添滿剛玉粉，剛玉粉的粒度為100目， 緩慢從室溫升至500°C，保溫1小時，再快速升溫至800°C，保溫2小時，然后快速升溫到陶 瓷型芯燒結溫度1500°C，保溫燒結4小時，隨爐冷卻至室溫，一體化陶瓷型芯與模殼素坯預 熱溫度為950°C，澆注溫度為1480°C ；模殼素坯采用機械振動法清除，陶瓷型芯采用高壓下 堿液腐蝕清除，堿液的濃度為30%，堿為NaOH，壓力為3個大氣壓，，時間為10小時，最后采 用酸中和葉片表面及內部的堿并清洗，得到葉片成品。
實施例3首先制備快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用二氧化硅陶瓷粉料，陶瓷粉 料的配比采用粗細合理搭配的原則，具體粗粉的粒徑為80mm，細粉的粒徑為20nm，粗粉與 細粉的比例為80 20 ；快速成型粉料的粘結劑采用呋喃樹脂粉；采用球磨方法混合陶瓷粉 料與呋喃樹脂粉；陶瓷粉料與呋喃樹脂的質量比例90 10,固化劑氯化銨水溶液加入量為 呋喃樹脂質量的12%，氯化銨與水的質量比為3 1 ；磨球采用陶瓷球，陶瓷球與快速成型粉 料質量比為4 1 ；球磨時間為10小時制得快速成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理 技術進行清理模型表面的粉料，然后在空氣中進行干燥；將水清理后的陶瓷型芯與模殼素 坯在硅溶膠中浸泡1小時，硅溶膠的膠粒半徑為IOnm ；然后對陶瓷型芯與模殼素坯進行焙 燒，焙燒工藝為將陶瓷型芯與模殼素坯裝入剛玉舟中，周圍添滿剛玉粉，剛玉粉的粒度為 120目，緩慢從室溫升至500°C，保溫2小時，再快速升溫至800°C，保溫2小時，然后快速升 溫到陶瓷型芯燒結溫度1480°C，保溫燒結4小時，隨爐冷卻至室溫，一體化陶瓷型芯與模殼 素坯預熱溫度為1050°C，澆注溫度為1480°C;模殼素坯采用機械振動法清除，陶瓷型芯采用 高壓下堿液腐蝕清除，堿液的濃度為沈％，堿為Κ0Η，壓力為3個大氣壓，時間為10小時，最 后采用酸中和葉片表面及內部的堿并清洗，得到葉片成品。
實施例4首先制備快速成型粉料，快速成型粉料中的陶瓷粉料采用二氧化硅基陶瓷粉料，陶瓷 粉料的配比采用粗細合理搭配的原則，具體粗粉的粒徑為80mm，細粉的粒徑為lOnm，粗 粉與細粉的比例為85 15 ；快速成型粉料的粘結劑采用呋喃樹脂粉；采用球磨方法混合陶 瓷粉料與呋喃能樹脂粉；陶瓷粉料與呋喃樹脂的質量比例為80 20,固化劑氯化銨加入量 為酚醛樹脂質量的8% ；磨球采用陶瓷球，陶瓷球與快速成型粉料質量比為5 1 ；球磨時間 為10小時制得快速成型粉料；快速成型粉料成型后采用水清理技術進行清理模型表面的 粉料，然后在空氣中進行干燥；將水清理后的陶瓷型芯與模殼素坯在硅溶膠中浸泡0. 5小 時，硅溶膠的膠粒半徑為8nm ；然后對陶瓷型芯與模殼素坯進行焙燒，焙燒工藝為將陶瓷 型芯與模殼素坯裝入剛玉舟中，周圍添滿剛玉粉，剛玉粉的粒度為80目，緩慢從室溫升至500°C，保溫2小時，再快速升溫至800°C，保溫1小時，然后快速升溫到陶瓷型芯燒結溫度 1490°C，保溫燒結4小時，隨爐冷卻至室溫，一體化陶瓷型芯與模殼素坯預熱溫度為950°C， 澆注溫度為1500°C ；模殼素坯采用機械振動法清除，陶瓷型芯采用高壓下堿液腐蝕清除，堿 液的濃度為30%，堿為Κ0Η，壓力為3個大氣壓，時間為10小時，最后采用酸中和葉片表面及 內部的堿并清洗，得到葉片成品。
權利要求
1.一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)利用計算機設計一體化的陶瓷型芯與模殼；(2)快速成型粉料的制備快速成型粉料中的陶瓷粉料與粘接劑的質量比為90-70 10-30，采用球磨方法對陶瓷粉料與粘接劑進行混料，磨球采用陶瓷球，磨球與快速成型粉 料的質量比為3-5 :1，球磨時間為10-30小時；固化劑占粘接劑質量的8-15% ；(3)采用快速成型技術制備一體化的陶瓷型芯與模殼素坯，快速成型采用常規(guī)的選擇 性激光燒結粉料方法，快速成型粉料成型后采用水清理技術進行清理陶瓷型芯與模殼素坯 表面的粉料，然后在空氣中進行干燥；將進行水清理并干燥后的陶瓷型芯與模殼素坯在硅 溶膠中浸泡0. 5-2小時，硅溶膠的膠粒半徑為8-30nm ；(4)陶瓷型芯與模殼素坯焙燒，具體工藝為將陶瓷型芯與模殼素坯裝入剛玉舟中，周 圍添滿剛玉粉，剛玉粉的粒度為80-120目，緩慢從室溫升至500°C，保溫2小時，再快速升溫 至800°C，保溫2小時，然后快速升溫到陶瓷型芯燒結溫度，保溫燒結4-5小時，隨爐冷卻至 室溫；(5)葉片澆注及清理，陶瓷型芯與模殼素坯預熱溫度為950°C-1050°C，澆注溫度為 1480 0C -1580 0C ；(6)葉片型芯脫除模殼素坯采用機械振動法清除，陶瓷型芯采用高壓下堿液腐蝕清 除，堿液的濃度為20-40%，壓力為3-5個大氣壓，時間為10-60小時，最后采用酸中和葉片表 面及內部的堿并清洗，得到葉片成品。
2.根據(jù)權利要求1所述一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所 述陶瓷粉料采用三氧化二鋁基陶瓷粉料、二氧化硅基陶瓷粉料、或鋯英石基陶瓷粉料中的 一種。
3.根據(jù)權利要求1所述一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所 述陶瓷粉料的配比采用粗細合理搭配的原則，具體為粗粉的粒徑為30-80mm，細粉的粒徑 為10-30nm，粗粉與細粉的質量比例60-80 :40-20。
4.根據(jù)權利要求1所述一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所 述粘接劑采用脲醛樹脂、酚醛樹脂或糠醇樹脂中的一種。
5.根據(jù)權利要求1所述一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所 述固化劑為烏洛托品、氯化銨、烏洛托品水溶液或氯化銨水溶液中的一種。
6.根據(jù)權利要求1所述一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，其特征在于所 述堿液中的堿為KOH或NaOH中的一種。
全文摘要
一種快速制備高溫合金空心葉片鑄件的方法，包括利用計算機設計一體化的陶瓷型芯與模殼；快速成型粉料的制備；采用快速成型技術制備一體化的陶瓷型芯與模殼素坯；陶瓷型芯與模殼素坯焙燒；葉片澆注及清理；葉片型芯脫除，本發(fā)明的目的是開發(fā)出一種可以快速制備具有空心結構高溫合金鑄件的制備工藝，優(yōu)點是可以利用快速成型技術制備具有空心結構的高溫合金鑄件，減少制作周期，降低成本。
文檔編號B22C1/22GK102039375SQ20101055150
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月20日 優(yōu)先權日2010年11月20日
發(fā)明者劉正, 姜衛(wèi)國, 毛萍莉, 袁國濤, 霍成鵬 申請人:沈陽工業(yè)大學