一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯及其制备方法，所述陶瓷型芯通过壳体和壳体内部的空间点阵结构相结合，在空间点阵结构相对密度为20％～50％，壳体的厚度为0.4‑0.5mm时，实现陶瓷型芯高空隙率的同时，保证陶瓷型芯的挠度和抗弯强度；在制备方法上，陶瓷浆料高流动性低粘度性能便于稳定打印，配合所述空间点阵结构更好提升陶瓷型芯性能，通过设定参数，将陶瓷浆料通过3D打印设备打印出所需的成型坯体，再将成型坯体经过脱脂烧结，得到成型陶瓷型芯。所述陶瓷型芯强度高、脱芯时间短、节省陶瓷材料，缩短工艺流程，为氧化铝陶瓷型芯脱出难题提供了一种高效的解决方案。

A kind of alumina ceramic core easily removed from hollow blade and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯及其制备方法
本专利技术属于高温合金空心叶片加工制造领域，具体涉及一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯及其制备方法。
技术介绍
航空航天、船舶以及电力等工业用发动机推重比的不断升级对燃气轮机的热效率要求越来越高，提高燃气进口温度是提高燃气轮机热效率的重要途径。随着燃气进口温度的不断提高，单纯通过改善叶片的制备材料来提高叶片的承温能力已无法满足实际使用需求，因此，通过预置陶瓷型芯，生产具有气冷内通道的空心叶片便成为先进燃气轮机制造的关键技术。常用的陶瓷型芯主要有氧化硅基和氧化铝基两种。氧化硅基陶瓷型芯主要用于浇注温度较低的叶片，当使用温度超过1550℃时，普遍存在高温稳定性下降，易于蠕变变形等问题，严重影响叶片的生产合格率和成本。相比之下，氧化铝基陶瓷型芯的化学稳定性更好，使用温度高达1850℃，具有与氧化铝基陶瓷型壳相匹配的膨胀系数，更适于大尺寸定向叶片的生产。但氧化铝难与酸碱脱芯液发生反应，因此陶瓷型芯的脱出很困难，其脱出技术是制约氧化铝基陶瓷型芯使用的一大瓶颈。陶瓷型芯的脱出是通过脱芯液对型芯材料颗粒间连接处的腐蚀破坏来实现的。型芯脱芯性能主要与型芯的孔隙率有关，孔隙率越高，脱芯液越易于渗透进型芯内部与型芯材料发生反应，对脱芯过程越有利。但是孔隙率增大会直接导致型芯强度的降低，强度过低就会在压蜡模阶段或者在浇铸过程中金属液的冲击下断裂。因此，陶瓷型芯的制备成为制约空心叶片生产的一大瓶颈，新型陶瓷型芯制作方法的开发迫在眉睫。【专利102266906A】(一种易脱除陶瓷型芯的制备方法)在陶瓷型芯中添加了一定量的碳纳米管，通过纳米碳管烧结后形成的空间管道来增加脱芯反应速度，使陶瓷型芯快速脱除。但是碳纳米管分散性差，前处理工艺复杂，无法保证其在陶瓷型芯中均匀分布，进而无法保证制备陶瓷型芯的强度和成品合格率。【专利CN105598390A】(一种空心叶片陶瓷铸型及其脱芯方法)在陶瓷浆料中预设多根芯骨棒，芯骨棒由抗腐蚀芯部以及易腐蚀镀层组成，当易腐蚀镀层被腐蚀掉以后，抗腐蚀芯部与陶瓷型芯之间产生空隙，抗腐蚀芯部能够沿此空隙拔出，在陶瓷型芯中形成通孔，增加了陶瓷型芯与脱芯液的接触面积，以进行快速脱芯。所述方法使用的芯骨棒制作过程复杂、成本高，且需要预留孔位进行装配和拆卸，不适合大规模生产。3D打印技术可以在陶瓷型芯内部设计成中空或复杂三维拓扑结构，提高型芯内部空隙率，增大脱芯液与型芯内部的接触面积，脱芯过程中，型芯表层壳体融掉后，脱芯液通过空隙与型芯内部迅速接触，从而大幅降低脱芯时间，提高脱芯效率；陶瓷型芯内部空间点阵的结构类型和相对密度(指实体材料所占据的体积与单胞体积之比)的选择及与陶瓷浆料的特性，坯体成型后的脱脂烧结的技术配合，都是实现陶瓷型芯性能的关键；所谓空间点阵结构是从晶体结构中抽象出来的概念，用于描述结构中各个单元在空间分布周期性的特点，不同的空间点阵结构力学性能不同，对浆料的选择以及后期脱脂烧结的要求也不同；保证陶瓷型芯用材低耗，浇铸时具有稳定的强度，又快速提升脱芯时间，是3D陶瓷型芯打印领域极其有意义的研究。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯及其制备方法，所述陶瓷型芯通过壳体和壳体内部的空间点阵结构相结合，实现陶瓷型芯高空隙率的同时，保证陶瓷型芯的抗冲击力；陶瓷浆料的特定组分，实现陶瓷型芯打印稳定，成品坚实耐高温又易脱芯的特性。所述陶瓷型芯抗冲击力强、脱芯时间短、节省陶瓷材料，缩短工艺流程，为氧化铝陶瓷型芯脱出难题提供了一种高效的解决方案。本专利技术的技术方案为：一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯，由全封闭式壳体和在壳体内部、且生长在壳体上的空间点阵结构构成；所述空间点阵结构拓扑连接、相对密度为20％～50％；所述壳体的厚度为0.4-0.5mm。所述空间点阵结构为菱形十二面体点阵结构、十字点阵结构、Y字点阵结构中的一种。所述壳体和空间点阵结构由陶瓷浆料制得，其特征在于，所述陶瓷浆料的制备方式如下：1)将35-45重量份氧化铝、150-170重量份无水乙醇、0.3-0.4重量份有机硅酸酯混合搅拌8-12h，然后过滤、干燥得到表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末；2)将8-12重量份二氧化硅、80-120重量份无水乙醇、0.1-0.3重量份有机硅酸酯混合搅拌8-12h，然后过滤、干燥得到表面功能化的级配二氧化硅陶瓷粉末；3)将80-120重量份的丙烯酸树脂、100-140重量份的丙烯酸丁酯、10-30重量份的苯甲酰甲酸甲酯和5-15重量份的聚二甲基硅氧烷混合制备出光固化树脂预混液；4)将所述级配氧化铝陶瓷粉末、级配二氧化硅陶瓷粉末和所述光固化树脂预混液进行混合搅拌，即得到陶瓷浆料。一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯的制备方法，包括以下步骤：1)制备陶瓷浆料；2)在三维建模软件中创建陶瓷型芯模型，由全封闭式壳体和在壳体内部、且生长在壳体上的空间点阵结构构成；3)设置陶瓷型芯模型的壳体厚度和空间点阵结构相对密度，导出设定好的陶瓷型芯模型；4)将所述陶瓷型芯模型导入用于陶瓷浆料打印的激光3D打印设备中；5)设置激光3D打印设备的激光脉冲宽度、光束焦斑，对打印平台上的陶瓷浆料进行激光扫描，使陶瓷浆料发生聚合交联固化反应，逐层打印直至得到成型坯体；6)用清洗溶液对成型坯体进行清洗；7)将清洗后的坯体依次进行脱脂和烧结，得到陶瓷型芯。所述陶瓷浆料的制备方式如下：1)将35-45重量份氧化铝、150-170重量份无水乙醇、0.3-0.4重量份有机硅酸酯混合搅拌8-12h，然后过滤、干燥得到表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末；2)将8-12重量份二氧化硅、80-120重量份无水乙醇、0.1-0.3重量份有机硅酸酯混合搅拌8-12h，然后过滤、干燥得到表面功能化的级配二氧化硅陶瓷粉末；3)将80-120重量份的丙烯酸树脂、100-140重量份的丙烯酸丁酯、10-30重量份的苯甲酰甲酸甲酯和5-15重量份的聚二甲基硅氧烷混合制备出光固化树脂预混液；4)将所述级配氧化铝陶瓷粉末、级配二氧化硅陶瓷粉末和所述光固化树脂预混液进行混合搅拌，即得到陶瓷浆料。所述激光3D打印设备的激光脉冲宽度19～27ns、光束焦斑0.02～0.05mm；逐层打印时的打印层厚0.02～0.1mm。所述脱脂即在惰性气体保护下，将清洗后的成型胚体放入脱脂炉中，通入惰性气体，将温度调至500～600℃，达到最高温度时保温0.5-1.5h；保温后，将炉体冷却至室温。所述烧结过程即室温时，将脱脂后的成型胚体放入烧结炉中，以50～200℃/h的升温速率升到1250～1450℃，保温4～8h，然后将炉体冷却至200℃，得到陶瓷型芯。所述壳体的厚度为0.4-0.5mm；所述空间点阵结构相对密度为20％～50％。所述空间点阵结构为菱形十二面体点阵结构、十字点阵结构、Y字点阵结构中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯，其特征在于，由全封闭式壳体和在壳体内部、且生长在壳体上的空间点阵结构构成；/n所述空间点阵结构相对密度为20％～50％；/n所述壳体的厚度为0.4-0.5mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯，其特征在于，由全封闭式壳体和在壳体内部、且生长在壳体上的空间点阵结构构成；
所述空间点阵结构相对密度为20％～50％；
所述壳体的厚度为0.4-0.5mm。


2.根据权利要求1所述一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯，其特征在于，所述空间点阵结构为菱形十二面体点阵结构、十字点阵结构、Y字点阵结构中的一种。


3.根据权利要求1所述一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯，所述壳体和空间点阵结构由陶瓷浆料制得，其特征在于，所述陶瓷浆料的制备方式如下：
1)将35-45重量份氧化铝、150-170重量份无水乙醇、0.3-0.4重量份有机硅酸酯混合搅拌8-12h，然后过滤、干燥得到表面功能化的级配氧化铝陶瓷粉末；
2)将8-12重量份二氧化硅、80-120重量份无水乙醇、0.1-0.3重量份有机硅酸酯混合搅拌8-12h，然后过滤、干燥得到表面功能化的级配二氧化硅陶瓷粉末；
3)将80-120重量份的丙烯酸树脂、100-140重量份的丙烯酸丁酯、10-30重量份的苯甲酰甲酸甲酯和5-15重量份的聚二甲基硅氧烷混合制备出光固化树脂预混液；
4)将所述级配氧化铝陶瓷粉末、二氧化硅陶瓷粉末和所述光固化树脂预混液进行混合搅拌，即得到陶瓷浆料；所述陶瓷浆料的粘度小于10Pa·s。


4.一种空心叶片易脱除氧化铝陶瓷型芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备陶瓷浆料；
2)在三维建模软件中创建陶瓷型芯模型，由全封闭式壳体和在壳体内部、且生长在壳体上的空间点阵结构构成；
3)设置陶瓷型芯模型的壳体厚度和空间点阵结构相对密度，导出设定好的陶瓷型芯模型；
4)将所述陶瓷型芯模型导入用于陶瓷浆料打印的激光3D打印设备中；
5)设置激光3D打印设备的激光脉冲宽度、光束焦斑，对打印平台上的陶瓷浆料进行激光扫描，使陶瓷浆料发生聚合交联固化反应，逐层打印直至得到成型坯体；
6)用清洗溶液对成型坯体进行清洗；
7)将清洗后的坯体依次进行脱脂和烧结，得到陶瓷型芯。


5.根据权利要求4所述一...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志祥，李洋，王志勇，孙智龙，廖晓泉，谢密，
申请(专利权)人：武汉因泰莱激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42