專利名稱：一種用于單晶葉片制造的薄壁高強(qiáng)度模殼制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫合金定向凝固領(lǐng)域，特別是單晶渦輪葉片的制造工藝問題，具體為利用碳纖維包覆以制備出薄壁高強(qiáng)度模殼。
背景技術(shù)：
利用高溫合金的定向凝固來鑄造單晶渦輪葉片，已成為制造高效航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前這種葉片的生產(chǎn)都是利用Bridgman定向凝固進(jìn)行的。為此，陶瓷模殼需要先在爐體上部的熱區(qū)內(nèi)預(yù)熱到高于合金的熔點(diǎn)溫度后，澆入通過感應(yīng)熔化的高溫合金熔液，然后模殼以預(yù)定的速度緩慢下降，穿過隔熱擋板進(jìn)入爐體下部的冷區(qū)，整個鑄件由下至上逐漸冷卻并凝固。利用殼型下部的螺旋選晶器，可使僅有一個晶粒能通過并擴(kuò)展到整個鑄件。由于消除了晶界這個高溫工作條件下的最薄弱環(huán)節(jié)，使得葉片的高溫性能大為提高，壽命也提高了幾十倍。隨著航空發(fā)動機(jī)葉片尺寸的不斷加大，以及大型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)對單晶葉片的迫切需求，使得大尺寸葉片的生產(chǎn)成為急需解決的關(guān)鍵問題。為了制造大尺寸的單晶葉片或鑄件，必須加大陶瓷殼的厚度，以保證在澆注和長時間的定向凝固期間能維持足夠的強(qiáng)度。然而模殼厚度的增加，使得鑄件的散熱冷卻變得極為困難，造成凝固界面溫度梯度降低，易產(chǎn)生鑄造缺陷和生產(chǎn)率低下等問題。為了提高鑄件的冷卻速度，尤其是凝固界面的溫度梯度，人們嘗試了運(yùn)用液體金屬冷卻(LMC)和氣體冷卻(GC)的辦法。這兩種方法雖然有一定效果，但只能強(qiáng)化模殼表面的散熱能力，并不能解決厚模殼本身的巨大熱阻問題。對于大尺寸葉片，鑄件難以透過模殼向外散熱。此外這兩種方法需對爐體進(jìn)行改造，并需添加大量的輔助設(shè)備，澆鑄工藝變得非常復(fù)雜，生產(chǎn)成本大大增加。因此這兩種方法雖經(jīng)過十幾年的大量研究，至今未能在生產(chǎn)上得到應(yīng)用。因此從 模殼制作工藝著手減小其壁厚，同時保證其高溫強(qiáng)度，不僅能提高單晶制備過程中已凝固部分的散熱速度，還能大大減少產(chǎn)生夾晶等不良缺陷的形成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種用于單晶葉片制造的薄壁高強(qiáng)度模殼制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:—種用于單晶葉片制造的薄壁高強(qiáng)度模殼制備方法，包括以下步驟:A1制殼工藝:(1)漿料配制，漿料采用JN-30硅溶膠做粘結(jié)劑，高純剛玉粉為粉料配制；首先將一定量硅溶膠倒入混漿桶內(nèi)；再加入JFC潤濕劑以保證漿料在蠟?zāi)Ｉ系耐繏煨?，其添加量約為硅溶膠質(zhì)量的0.1% -0.5% ;接著加入剛玉粉，加入量按照硅溶膠與剛玉粉質(zhì)量比例約為I: 3 ;最后加入XP-1有機(jī)硅消泡劑以保證漿料的均勻性和完整性，添加量約為硅溶膠質(zhì)量的0.05% -0.02% ;漿料在料筒內(nèi)攪拌混合20 30小時后待用；(2)掛漿，將組裝好的蠟?zāi)＝霛{料桶內(nèi)數(shù)秒，取出，用壓縮空氣輕輕吹拂，以除去氣泡并使?jié){料涂掛均勻；
(3)淋砂，掛漿后即進(jìn)行淋砂，反復(fù)轉(zhuǎn)動蠟?zāi)?，使砂均勻分布；下次掛漿前，吹盡浮砂；(4)重復(fù)以上操作，直到預(yù)定層數(shù)；越往外層，砂粒直徑越大，漿料粘度應(yīng)逐漸越低；(5)封漿，將蠟?zāi)＝霛{桶內(nèi)，充分浸潤，取出，干燥；A2纏繞碳纖維及干燥；制作好模殼后進(jìn)行常規(guī)脫蠟、焙燒，冷卻至室溫后在外層涂刷漿料，同時將碳纖維置于漿料內(nèi)浸濕，取出后將碳纖維布沿模殼外形纏繞，包覆，擠出空氣，纏繞一層即可。然后進(jìn)行干燥，干燥條件:干燥溫度25±5°C,濕度< 50%,干燥時間20_50h,風(fēng)速2_8m.s、本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用碳纖維的包覆，與傳統(tǒng)的硅溶膠模殼相比，在保證模殼熱強(qiáng)度的前提下，減少了模殼層數(shù)，從而降低了模殼的整體厚度，提高了模殼的導(dǎo)熱能力，有利于溫度梯度的提高。傳統(tǒng)硅溶膠模殼的導(dǎo)熱能力受模殼材料，孔隙率的制約，在獲得足夠熱強(qiáng)度時，很難達(dá)到理想狀態(tài)(AiC0.sew/Oi^K))。而本發(fā)明所采用的碳纖維布，系微晶石墨材料，導(dǎo)熱系數(shù)入2達(dá)100以上，是理想的導(dǎo)熱材料，且抗拉強(qiáng)度在3400MPa以上，為模殼的減薄創(chuàng)造了條件。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的散熱示意圖；圖2為本發(fā)明的散熱示意圖； 圖3是碳纖維束的應(yīng)力-拉伸曲線；
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例11.制殼工藝和普通熔模精密鑄造模殼不同，用于單晶定向凝固的模殼不僅需要優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，而且要求模殼有較強(qiáng)的的散熱性能。因此，在制殼時主要采用低密度陶瓷漿料，細(xì)粒度砂粒淋砂。具體工藝流程如下。(I)漿料配制，漿料采用硅溶膠做粘結(jié)劑(型號JN-30)，高純剛玉粉(Al2O3含量大于99%，粒度320目)為粉料配制。首先將一定量硅溶膠倒入混漿桶內(nèi)，倒入量根據(jù)需要用量選定；再加入潤濕劑(JFC，非離子表面活性劑)以保證漿料在蠟?zāi)Ｉ系耐繏煨?，其添加量約為硅溶膠質(zhì)量的0.1% -0.5% ;接著加入剛玉粉，加入量按照硅溶膠與剛玉粉質(zhì)量比例約為1: 3 ;最后加入消泡劑(XP-1有機(jī)硅)以保證漿料的均勻性和完整性，添加量約為硅溶膠質(zhì)量的
0.05% -0.02% ;漿料在料筒內(nèi)攪拌混合20 30小時后待用。(2)掛漿，將組裝好的蠟?zāi)＝霛{料桶內(nèi)數(shù)秒，取出，用壓縮空氣輕輕吹拂，以除去氣泡并使?jié){料涂掛均勻；(3)淋砂，掛漿后即進(jìn)行淋砂(熔融剛玉砂，其要求如表I所示)，反復(fù)轉(zhuǎn)動蠟?zāi)?，使砂均勻分布。下次掛漿前，吹盡浮砂；(4)重復(fù)以上操作，直到預(yù)定層數(shù)。重復(fù)掛砂過程中，掛漿可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)操作特點(diǎn)，在單件或?qū)嶒?yàn)室可利用同一漿料進(jìn)行。在批量生產(chǎn)時也可根據(jù)淋砂中原砂粒度的變化適當(dāng)調(diào)節(jié)漿料的粘度，設(shè)置多個漿料筒，分別掛漿。一般來說，越往外層，砂粒直徑越大，漿料粘度應(yīng)逐漸越低(如1-2層100目，漿料30s ；3-4層80目，漿料25s)。(5)封漿，將蠟?zāi)＝霛{桶內(nèi)，充分浸潤，取出，干燥。封漿漿料在單件生產(chǎn)時可與前述工藝采用同一漿料，在批量生產(chǎn)時可根據(jù)前述配制專用漿料，其漿料粘度應(yīng)最小。其工藝參數(shù)如表I所列。表I制殼工藝參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于單晶葉片制造的薄壁高強(qiáng)度模殼制備方法，其特征在于，包括以下步驟Al制殼工藝(1)漿料配制，漿料采用JN-30硅溶膠做粘結(jié)劑，高純剛玉粉為粉料配制；首先將一定量硅溶膠倒入混漿桶內(nèi)；再加入JFC潤濕劑以保證漿料在蠟?zāi)Ｉ系耐繏煨?，其添加量約為硅溶膠質(zhì)量的O. 1%-0. 5%;接著加入剛玉粉，加入量按照硅溶膠與剛玉粉質(zhì)量比例約為I : 3;最后加入XP-I有機(jī)硅消泡劑以保證漿料的均勻性和完整性，添加量約為硅溶膠質(zhì)量的O. 05% -O. 02% ;漿料在料筒內(nèi)攪拌混合20 30小時后待用； (2)掛漿，將組裝好的蠟?zāi)＝霛{料桶內(nèi)數(shù)秒，取出，用壓縮空氣輕輕吹拂，以除去氣泡并使?jié){料涂掛均勻； (3)淋砂，掛漿后即進(jìn)行淋砂，反復(fù)轉(zhuǎn)動蠟?zāi)?，使砂均勻分布；下次掛漿前，吹盡浮砂； (4)重復(fù)以上操作，直到預(yù)定層數(shù)；越往外層，砂粒直徑越大，漿料粘度應(yīng)逐漸越低； (5)封漿，將蠟?zāi)＝霛{桶內(nèi)，充分浸潤，取出，干燥； A2纏繞碳纖維及干燥； 制作好模殼后進(jìn)行常規(guī)脫蠟、焙燒，冷卻至室溫后在外層涂刷漿料，同時將碳纖維置于漿料內(nèi)浸濕，取出后將碳纖維布沿模殼外形纏繞，包覆，擠出空氣，纏繞一層即可。然后進(jìn)行干燥，干燥條件干燥溫度25±5<^，濕度< 50%，干燥時間20_50h，風(fēng)速2_8m eS10
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于單晶葉片制造的薄壁高強(qiáng)度模殼制備方法，包括以下步驟A1，制殼工藝(1)漿料配制；(2)掛漿；(3)淋砂；(4)重復(fù)以上操作，直到預(yù)定層數(shù)；(5)封漿，將蠟?zāi)＝霛{桶內(nèi)，充分浸潤，取出，干燥；A2，纏繞碳纖維及干燥。本發(fā)明采用碳纖維的包覆，與傳統(tǒng)的硅溶膠模殼相比，在保證模殼熱強(qiáng)度的前提下，減少了模殼層數(shù)，從而降低了模殼的整體厚度，提高了模殼的導(dǎo)熱能力，有利于溫度梯度的提高。本發(fā)明所采用的碳纖維布，系微晶石墨材料，導(dǎo)熱系數(shù)λ2達(dá)100以上，是理想的導(dǎo)熱材料，且抗拉強(qiáng)度在3400MPa以上，為模殼的減薄創(chuàng)造了條件。
文檔編號B22C9/04GK103252448SQ20131015140
公開日2013年8月21日 申請日期2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月19日
發(fā)明者賈志宏, 徐維臺, 朱翔, 孫少純, 趙玉濤, 徐基晨, 諶鴻俊, 段江楠 申請人:江蘇大學(xué)