一种氧化铝基陶瓷型芯的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的氧化铝基陶瓷型芯制造方法，首先利用快速成型制造技术快速制备具有复杂中空结构的陶瓷型芯树脂模具，然后配制氧化铝基陶瓷浆料，将陶瓷浆料在真空、振动条件下压注到陶瓷型芯树脂模具的型腔中，待陶瓷型芯模具内的陶瓷浆料固化干燥后，去除有机物和树脂模具，即可获得形状完整具有较高相互位置精度的氧化铝基陶瓷型芯，本发明专利技术能够制造形状完整、曲折、尺寸细小、且具有较高相互位置精度的陶瓷型芯。利用该方法制造的氧化铝基陶瓷型芯主要用于高温合金的复杂精密铸件生产，如燃气轮机叶片，能极大提高铸件的合格率。

Method for manufacturing alumina based ceramic mold core

The invention discloses a manufacturing method of alumina based ceramic core model, the first use of the rapid prototyping technology, rapid preparation of complex ceramic core resin mold hollow structure, and preparation of alumina based ceramic slurry, the ceramic slurry in a vacuum, under the condition of vibration injection into the cavity in the mold resin ceramic core stay, ceramic slurry curing ceramic core mold after drying to remove organic matter and resin mold, alumina based ceramic core can obtain complete shape with high mutual position precision, the invention can manufacture complete shape and size, and has small twists and turns, ceramic core high mutual position precision. The alumina based ceramic core made by this method is mainly used for the production of complex precision castings of high temperature alloys, such as gas turbine blades, which can greatly improve the qualification rate of castings.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铸造造型工艺领域，涉及陶瓷型芯浆料配制、模具制备及此类陶瓷型芯的制造方法，具体地说是。
技术介绍
燃气轮机叶片是发动机的重要部件，为改善发动机的综合性能，需要不断提高涡轮前燃气温度，但受金属熔点的限制，在合金材料上如果想提高叶片的承温能力已经接近了极限，因此不断改善叶片冷却结构提高冷却效果就成为涡轮叶片设计与制造者所追求的目标。如图1所示，高效气冷叶片的冷却结构与以往的有较大的不同，叶片叶身从单层壁变为叶身双层壁，且叶身布满了与内腔相通的直径约0.5mm左右的小孔，冷效从300℃提高到600℃以上，叶片承温能力显著提高。高效气冷叶片的制造，其关键技术在于陶瓷型芯的制造，其制造工艺更复杂，尺寸更小，性能要求更高。对于该高效气冷叶片而言，其陶瓷型芯制造方法是，将空心部分看成是由多个型芯(形成中心孔的型芯和形成薄壁和细孔的型芯)组合而形成，利用传统的陶瓷注射成型技术把它们分别地制造出来，然后在压制蜡模之前，粘结在一起形成一个组合型芯。型芯的组合工艺不仅非常耗时，而且精确定位难度极大。如果组合型芯之间不能形成正确的位置关系，将会直接影响最终的铸件尺寸精度，特别是高效气冷叶片，其是壁厚尺寸薄而不均。中国专利(公开号CN 1134327A)给出了一种模压组合型芯方法，该方法可以提高两型芯之间的定位精度。但其模具的精度很难掌握。传统的陶瓷型芯制造方法是采用注射成型技术。其模具在设计制造过程中需要多次反复和修改，生产周期长，成本高，对于形状复杂曲折、尺寸细小的陶瓷型芯，其模具分模面的设计、模具型腔的制造非常困难。另外，陶瓷注射成型过程粉末良好的流动性是以加入大量的有机粘结剂为基础的，这样才能实现复杂零件，但也带来了脱脂问题，脱脂是整个工艺中最困难最重要的环节，脱脂过程中不正确的脱脂工艺和脱脂参数将导致坯体变形、开裂、鼓泡等缺陷，并且产生的裂纹和变形不能通过烧结来弥补；另外脱脂过程耗时长，一般要花费十几个小时甚至几天的时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种新型的氧化铝基陶瓷型芯制造方法，该方法是将空心部分看作是一个相互连通的空腔(如果不连通，可以在模具时增设连通的部分)，陶瓷型芯在一次性压注过程中固化成型，通过陶瓷浆料自然联成一体，不需要组合工艺，由模具本身直接保证型芯间的相互位置精度。为了实现上述任务，本专利技术采取如下的技术解决方案一种氧化铝基陶瓷型芯制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤首先利用快速成型制造技术快速制备具有复杂中空结构的陶瓷型芯树脂模具，该陶瓷型芯树脂模具具有中空结构，至少包含两个独立的通道；然后配制氧化铝基陶瓷浆料，该陶瓷浆料的质量分数组成为氧化铝粉末70％～85％，有机物2％～5％，造孔剂1％～5％，矿化剂和增韧剂各为1％～5％，去离子水补足100％；在氧化铝基瓷浆料加入分散剂聚丙烯酸钠，聚丙烯酸钠占氧化铝粉末质量的0.5％，在球磨机磨球磨1小时，使各组分混合均匀；将陶瓷浆料在真空、振动条件下压注到陶瓷型芯树脂模具的型腔中，在压注之前，对陶瓷浆料进行抽真空，真空度控制在0.01Mpa～0.1MPa之间，脱气时间为5分钟，以减少或消除在成型过程中产生的气泡；注浆压力在1kg/cm2～10kg/cm2范围内，注浆时振动频率为10Hz～300Hz，振动幅度为1mm～3mm内。待陶瓷型芯模具内的氧化铝基陶瓷浆料固化干燥后，去除有机物和树脂模具，即可获得形状完整具有较高相互位置精度的氧化铝陶瓷型芯。本专利技术与传统的氧化铝基陶瓷型芯制造方法相比，具有以下技术特点(1)使得氧化铝基陶瓷型芯成型工艺简单，易于控制，能够获得形状完整、尺寸细小的陶瓷型芯。(2)采用快速原型模具代替金属模具，解决了复杂模具型腔制造困难问题，为复杂、曲折氧化铝基陶瓷型芯制备提供了保证，同时大大地降低了生产准备时间，节约了生产成本。(3)多个氧化铝基陶瓷型芯在一次性压注过程中同时成型，不需型芯组合操作，无精度损失，模具本身的制造精度高，使得陶瓷型芯之间具有较高的位置精度。附图说明图1是高效气冷叶片结构示意图；图2是氧化铝基陶瓷浆料配置工艺流程；图3是氧化铝基陶瓷型芯结构示意图。以下对照图1、图2和图3和专利技术人给出的实施例作进一步的详细描述，可以完整、准确地理解本专利技术的特点。具体实施例方式本专利技术的氧化铝基陶瓷型芯制造方法，具体内容体现以下三个方面1)通过对有机物、氧化铝粉末体积分数和级配比例以及各种添加剂的控制，配制流动性好的陶瓷浆料；2)将快速成型制造技术应用到陶瓷型芯模具制造中，实现快速、内腔复杂曲折、尺寸细小的陶瓷型芯模具的制造；3)给出了氧化铝基陶瓷型芯成型工艺。在真空和微振条件下将陶瓷浆料压注到模具型腔中，待陶瓷浆料固化干燥后，采取合适的方式去除有机物和模具；获得形状完整，尺寸细小、具有较高相互位置精度的型芯。本专利技术利用快速成型技术制造模具，快速原形技术的最大优势在于它能够快速、直接地生产出形状复杂的模具原型，模具原型是一个整体，不需要设计多个模膛和分模曲面，而且模具可以在后续工序中采取加热或化学方式去除，制造氧化铝基陶瓷型芯过程中不需要脱模操作，极大地简化了工艺流程。利用本专利技术所配置的陶瓷浆料流动性能好，能够填充复杂的型腔，形状完整，精度高，而且有机物含量低，易于脱脂，烧结性能优异。以下是专利技术人给出的一个具体的实施例。(1)氧化铝基陶瓷型芯浆料陶瓷浆料的组分及含量包括氧化铝粉末质量分数占陶瓷浆料的75％，氧化铝粉末级配(即组成为2微米、8微米和15微米，配比分别为40％、30％和40％；有机物占陶瓷浆料质量的4％；选择石墨粉末或碳酸钙或淀粉作为造孔剂，其占氧化铝粉末质量的2.5％；矿化剂(MgO-TiO2)和增韧剂(ZrO2)占氧化铝粉末质量3％；加入去离子水补足100％，保证配置的陶瓷浆料具有良好的流动性和充型能力，以便采用浇注成形的方法制作形状精确完整复杂的型芯。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。在氧化铝基陶瓷浆料中加入分散剂聚丙烯酸钠(占氧化铝质量0.5％)获得均匀稳定的陶瓷浆料悬浮液；为了使各组分混合均匀，将陶瓷浆料在球磨机磨球磨1小时；在压注之前，需要对陶瓷浆料进行抽真空，以减少或消除在形成浆料过程中产生的气泡，真空度控制在0.01MPa～0.1MPa之间，脱气时间为5分钟。氧化铝陶瓷浆料配置工艺流程如图2。(2)模具快速制备如图1所示燃气轮机高效气冷叶片(2)，其壁厚(3)薄而不均，有多个中空部分(1)。传统的金属模具通常由上下两个模块组成，但对于燃气轮机高效气冷叶片的模具，如果仅仅依靠两个模块是不可能形成如此多个中空的型腔，需要设计多个分模面，制造多个模具模块，这样造成模具制造成本高，制造周期长，难度大，甚至是不可能的。本专利技术利用激光固化快速原型机制造高效气冷叶片陶瓷型芯树脂模具，在后续工艺中可以将其去除，树脂模具的形状和结构就是其本身，不需要设计分模面和制造多个模具模块。具体制造过程是首先通过商业软件建立高效气冷叶片CAD模型，然后输出激光快速成型机能够接受的标准输入格式STL文件，对STL文件进行分层处理，获得多层平面图形数据，接着在激光头机械臂带动下对液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化铝基陶瓷型芯制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：首先利用快速成型制造技术快速制备具有复杂中空结构的陶瓷型芯树脂模具，该陶瓷型芯树脂模具具有中空结构，至少包含两个独立的通道；然后配制氧化铝基陶瓷浆料，该陶瓷浆料的 质量分数组成为：氧化铝粉末：７０％～８５％，有机物：２％～５％，造孔剂：１％～５％，矿化剂和增韧剂各为１％～５％，去离子水补足１００％；在陶瓷浆料加入分散剂聚丙烯酸钠，聚丙烯酸钠占氧化铝粉末质量的０．５％，在球磨机球磨１小时，使各组 分混合均匀；将氧化铝基陶瓷浆料在真空、振动条件下压注到陶瓷型芯树脂模具的型腔中，在压注之前，对陶瓷浆料进行抽真空，真空度控制在０．０１ＭＰａ～０．１ＭＰａ之间，脱气时间为５分钟，以减少或消除在成型过程中产生的气泡；注浆压力在１ｋｇ／ ｃｍ↑［２］～１０ｋｇ／ｃｍ↑［２］范围内，注浆时振动频率为１０Ｈｚ～３００Ｈｚ，振动幅度为１ｍｍ～３ｍｍ内。待陶瓷型芯模具内的氧化铝基陶瓷浆料固化干燥后，去除有机物和树脂模具，即可获得形状完整具有较高相互位置精度的氧化铝基陶瓷型芯 。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李涤尘，吴海华，夏磊，谢磊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]