CN101073821A - 一种型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法，该方法首先用激光快速成形技术制造可烧失性树脂模具，该可烧失性树脂模具包含有复杂内腔和外形结构，至少能够构成一体冷却通道；然后将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合配置成陶瓷浆料，通过控制注浆压力以保证陶瓷浆料充满整个可烧失性树脂模具，边注浆边振动以获得密实的陶瓷型芯、型壳；待其固化后，型芯、型壳通过陶瓷浆料连接在一起；最后经过干燥处理、加热脱脂和烧结制成一体化陶瓷铸型。通过所制备的陶瓷型芯、型壳一次性成型，自然连接成一体，无需组装，从而保证陶瓷型芯、型壳之间的相互位置精度，该陶瓷铸型适用于薄壁、内腔结构复杂铸件的生产，如燃气轮发动机叶片，能极大提高铸件的合格率。
Description
技术领域
本发明涉及熔模铸造技术领域，具体涉及薄壁、具有复杂的内腔结构(至少能够构成一条冷却通道)的铸件熔模铸造，特别是一种型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法。
背景技术
在燃气轮发动机工作过程中，燃气轮发动机叶片要能够长时间地承受高温、高压气流冲击，随着燃气轮发动机功率不断增大和涡轮前温度持续提高，其服役温度往往超过燃气轮发动机叶片母金属熔点，所以在燃气轮发动机叶片设计过程中要在其内部设计复杂的冷却通道，通过冷却介质如空气、蒸汽对叶片(特别是动叶片)进行高效冷却。由于燃气轮发动机叶片外形与内腔相对位置精度要求高，又属于薄壁结构件，最小壁厚可达0.3mm～0.6mm，因此熔模铸造技术广泛应用于燃气轮发动机叶片的制造。
传统的叶片熔模铸造的基本过程是：首先通过压模机制备陶瓷型芯；其次将陶瓷型芯装配到蜡模模具中，接着注入石蜡，形成包含有陶瓷型芯的蜡模(蜡模的外形与叶片外形相同)；再次在蜡模表面涂挂陶瓷浆料制备型壳，在高压蒸汽炉中熔化石蜡，获得带有型芯的型壳，最后浇注高温金属液体，待其冷却后，采用机械方式或化学方式或者两种相结合的方式除去陶瓷型芯、型壳获得铸件。
由于陶瓷型芯装配到蜡模模具过程中存在定位误差和装配误差，同时稳定性较差，在后续注蜡、脱蜡过程中及高温金属液体作用下会偏离原有的位置，从而直接影响陶瓷型芯和型壳的相互位置精度，造成偏芯现象，影响最终的铸件尺寸精度，对于薄壁结构的叶片极易穿孔。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法，该方法将一体化陶瓷型芯、型壳制造技术应用到熔模铸造生产中，保证薄壁、复杂的内腔结构的铸件生产质量。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法，其特征在于，该方法首先用激光快速成形技术制造可烧失性树脂模具，该可烧失性树脂模具包含有复杂内腔结构，至少能够构成一体冷却通道；然后将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合配置成陶瓷浆料，通过控制注浆压力以保证陶瓷浆料充满整个可烧失性树脂模具，边注浆边振动以获得密实的陶瓷型芯、型壳；待其固化后，型芯、型壳通过陶瓷浆料连接在一起；最后经过干燥处理、加热脱脂和烧结制成一体化陶瓷铸型。
本发明的一体化陶瓷型芯、型壳制造技术不需事先准备陶瓷型芯的压注模具和蜡模模具，其制壳、制芯时间短，从而大大降低生产成本，节约了生产时间；陶瓷型芯、型壳一次成型，通过陶瓷浆料自然连接，连接牢固、可靠，没有定位误差和装配误差，陶瓷型芯、型壳之间相互位置精度高，能够避免偏芯、穿孔等缺陷，能够生产薄壁、内腔结构复杂的铸件，如燃气轮发动机叶片。
本发明通过一体化陶瓷型芯、型壳制造方法，型芯型壳在制造过程联成一体，保证了它们之间有很高的相互位置精度，极大地提高薄壁、复杂内腔的铸件的合格率。
本发明的目的是采用同一种材料制造陶瓷型芯、型壳，二者有相同膨胀系数，有利于保证铸件的尺寸精度。
本发明的目的是由于陶瓷浆料有良好的流动性和充型能力，大大缩短型壳制备时间。复型性好，克服了传统的熔模铸造制壳过程中无法复制深沟、凹槽等细节特征的缺点。
附图说明
图1所示为某一燃气轮发动机叶片横截面图；图中的标号分别表示：1、冷却通道，2、内壁，3、外壁，4、叶片；
图2是一体化陶瓷型芯、型壳制造过程示意图。图中的标号分别表示：10、型芯，20、型壳，30、树脂模具，40、连接处；
以下对照图1和图2阅读具体实施方式，可以完整、准确地理解本发明的特点。
具体实施方式
本发明的型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法，所生产的铸件属于薄壁结构件，具有复杂的内腔结构，至少能够构成一条冷却通道。
制备一套树脂模具，树脂模具上设计有用于保证陶瓷型壳壁厚均匀的部分，陶瓷铸型上设计有浇铸高温金属的浇口和冒口。将陶瓷浆料在一定压力下注入树脂模具中，注浆压力，其值在0.01MPa到0.1MPa范围内。经固化成形、干燥、脱脂、焙烧，获得联成一体的陶瓷型芯、型壳，为具有复杂内腔结构和薄壁铸造生产提供铸型。型芯和型壳成型时自然联成一体形成陶瓷铸型，通过焙烧的方法将氧化物一定程度地陶瓷化，使陶瓷型芯、型壳具有一定的强度。无需再次装配，型芯和型壳由浆料连接在一起，不需要任何附加连接物。陶瓷型芯、型壳均匀干燥，不产生开裂、变形现象。
利用激光快速固化光敏树脂制造树脂模具，树脂模具属于一种可烧失性的树脂模具，可以通过热解法或化学方法除去。本发明通过缓慢加热的方法将树脂模具烧失。树脂模具烧失的残留物极少，残留物对铸件质量不会产生不良影响。
陶瓷浆料是由去离子水、有机物和陶瓷颗粒均匀混合而成，其中，氧化铝陶瓷颗粒占浆料的体积比为50％～55％，余量为去离子水；有机物(由丙烯酰胺单体和N，N′-亚甲基二丙烯酰胺组成(组分质量比为24∶1)或者由甲基二丙烯酰胺单体和N，N′-亚甲基二丙烯酰胺组成(组分质量比为6∶1))在去离子水中浓度为10％～20％。
陶瓷浆料具有良好的流动性和充型能力。
参照图1，某一燃气轮发动机叶片4包含有内壁2和外壁3，在壁上和叶片中间均设计有冷却通道1，壁厚不均匀，内腔、外形形状复杂。在本发明中，树脂模具与具有与燃气轮发动机叶片相同的内外结构。
1.树脂模具的准备
在本发明中采用光固化快速成形技术准备树脂模具，其基本过程是首先利用商用CAD系统对准备制造的燃气轮发动机叶片进行三维实体造型设计，再由专门的计算机切片软件将三维CAD模型切割成若干薄层平面图形数据。光固化快速成形开始时，升降台通常下降到距液面不到0.1mm(约十分之几毫米，相当于CAD模型最下一层切片的厚度)处，随后x-y激光扫描器根据第一层(即最下一层)切片的平面图形数据对液面扫描，液面这一层被激光照射到的那部分液态树脂由于光聚合作用而固化在升降台上。接着升降装置又带动升降台使其下降相当于第二层切片厚度的高度，x-y激光扫描器再按照第二层切片的平面图形数据对液面扫描，使新一层液态树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此重复进行直至整个树脂模具制作完成。
由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。此外，因为没有热扩散，加上链式反应能够很好地控制，能保证聚合反应不发生在激光点之外，因而树脂模具加工精度高，表面质量好，能制造形状复杂、精细的零件，生产效率高。
2.陶瓷浆料
陶瓷浆料的主要组成是氧化铝陶瓷颗粒、有机物和去离子水。氧化铝陶瓷颗粒粒径(D50)为15微米，100毫升的去离子水配置395克氧化铝，有机物在去离子水中浓度为12.5％。配置好的陶瓷浆料具有高固相(体积分数大于50％)和低粘度(其粘度小于1Pa.s)，良好的流动性和充型能力为陶瓷浆料填充复杂的内腔提供了保证。
将陶瓷浆料注入到树脂模具中。在本发明中通过精确控制注浆压力以保证陶瓷浆料充满整个叶片内腔，边注浆边振动以获得密实的陶瓷型芯、型壳；在本发明中如图2所示，陶瓷浆料注入树脂模具30中，待其固化后，同时形成型芯10和型壳20，型壳和型芯通过连接处40联成一体，从而保证它们之间相互位置精度。
3.干燥
通过加入催化剂或加热的方式使陶瓷浆料固化后，接下来的工艺是去除陶瓷浆料中水分。脱水是否均匀，直接影响到后续脱脂或烧结过程中，陶瓷型芯、型壳是否开裂、破损。本发明中采取PEG400(聚乙二醇)溶液和微波真空相结合的方式干燥，避免失水不均匀，产生局部应力。待陶瓷浆料固化后将坯体放入PEG400(聚乙二醇)溶液中，干燥2～3小时，随后转入微波真空干燥箱中干燥5～6小时，并控制坯体脱水温度在40℃以下。
4.脱脂
本发明中脱脂是指通过热解的方法除去陶瓷浆料中有机物和树脂模具。由于陶瓷浆料中有机物含量较少，仅占陶瓷浆料重量的2％到5％，比较容易除去；另外，树脂模具是一种可烧失性树脂，其热解后残留灰分低，残留物中不存在影响铸件质量的元素，同时为了避免型壳在脱脂过程中开裂，保证型芯、型壳形状完整，本发明采取加热的方法进行脱脂。为了脱脂完全，使型芯型壳在焙烧前有一定的强度，采取先慢后快的加热方式。其具体工艺如下，加热设备为箱式电阻加热炉，室温入炉以每小时6℃升温至300℃，保温1小时；接着以每小时50℃升温至600℃，保温1小时；再以每小时100℃升温至900℃，保温1小时；随炉冷却至室温。
5.型芯和型壳一体化陶瓷铸型焙烧
由于后续浇铸时高温金属对型芯、型壳产生热冲击，因此要适度强化陶瓷型芯、型壳，使其具有较高的抗弯强度。本发明中通过高温焙烧使氧化铝颗粒一定程度地陶瓷化，其抗弯强度可达20Mpa；焙烧工艺：以50℃～100℃/h升温速度升温至1350℃～1400℃，保温4～6小时，然后炉冷至240℃以下出炉。
Claims (5)
1.一种型芯和型壳一体化陶瓷铸型制造方法，其特征在于，该方法首先用激光快速成形技术制造可烧失性树脂模具，该可烧失性树脂模具包含有复杂内腔和外形结构，至少能够构成一体冷却通道；然后将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合配置成陶瓷浆料，通过控制注浆压力以保证陶瓷浆料充满整个可烧失性树脂模具，边注浆边振动以获得密实的陶瓷型芯、型壳；待其固化后，型芯、型壳通过陶瓷浆料连接在一起；最后经过干燥处理、加热脱脂和烧结制成一体化陶瓷铸型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的陶瓷浆料中配方为：氧化铝陶瓷颗粒占浆料的体积比为50％～55％，余量为去离子水；有机物在去离子水中浓度为10％～20％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用激光快速固化光敏树脂快速制造可烧失性树脂模具。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热脱脂采取先慢后快的加热方式，加热设备为箱式电阻加热炉，室温入炉以每小时5℃～10℃升温至300℃，保温0.5～1小时；接着以每小时30℃～50℃升温至600℃，保温0.5～1小时；再以每小时100℃升温至900℃～1000℃，保温1～2小时；随炉冷却至室温。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的有机物为：丙烯酰胺单体和N，N′—亚甲基二丙烯酰胺组成，其组分质量比为24∶1；或者由甲基二丙烯酰胺单体和N，N′—亚甲基二丙烯酰胺组成，其组分质量比为6∶1。
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