一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法技术方案

本发明专利技术属于高温合金定向凝固领域，特别涉及一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法，其特征在于，包括陶瓷型芯的成型和烧结、蜡模制作、模壳的成型和脱蜡以及模壳的烧结，模壳的第1

【技术实现步骤摘要】
一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法
专利

[0001]本专利技术属于高温合金定向凝固领域，特别涉及一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法。
[0002]专利技术背景
[0003]高温合金由于具有良好的力学性能、抗疲劳性能、抗氧化性能及抗冷热疲劳性能，广泛用于制备航空发动机及地面燃气轮机涡轮叶片。定向凝固柱晶及单晶高温合金由于去除了横向晶界或全部晶界，在高温下，具有更高的力学性能、更优异的抗疲劳及抗氧化等综合性能，因此被广泛用于制备先进航空发动机及地面燃气轮机涡轮叶片。
[0004]随着航空发动机及地面燃气轮机效率的提高，其进口温度不断提高，仅靠涡轮叶片材料已无法承受如此高的温度，必须依靠气体冷却技术，即在叶片内部设置各种冷却通道，依靠冷却通道内气体冷却来降低叶片表面温度。冷却技术的快速发展使叶片具备了更高的承温能力，但也使得叶片内腔冷却结构更加复杂。
[0005]定向柱晶及单晶高温合金涡轮空心叶片通常采用定向凝固工艺制备，但首先应制备复杂的型芯(用于形成叶片内腔冷却通道)及包含型芯的模壳，然后再进行定向凝固过程。其具体工艺过程为：1)注射成型及烧结工艺制备型芯(用于形成叶片内腔冷却结构)；2)注射成型制备包含型芯的蜡模；3)采用精密铸造工艺制备包含型芯的模壳；4)将含型芯的模壳进行脱蜡、焙烧；5)浇注合金并在高温下进行定向凝固；6)凝固结束后采用化学法脱除陶瓷型芯，最后得到空心结构叶片。
[0006]一般来说，模壳与型芯系统需经历室温至焙烧温度(850
‑
1050℃)再冷至室温过程(模壳焙烧)，以及从室温
‑
定向凝固温度(1480
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1520℃)(定向凝固)两个过程，这两个过程中最好使模壳与型芯具有相近的动态热膨胀系数，保证型芯与模壳之间的无热应力产生或只有低的热应力，最终才能保证叶片型面及内腔的尺寸准确性及叶片的合格率。同时，模壳与型芯材料需在定向凝固温度(1480
‑
1520℃)工作1
‑
2小时，因此，陶瓷模壳与型芯还必须具有优良的抗蠕变性能、才能保持叶片及内腔的尺寸精度。除此以外，模壳/型芯系统中，陶瓷型芯还必须具有良好的化学脱除性，才能最终保证叶片获得完整的内腔冷却结构。
[0007]实际生产中，为保证定向凝固过程中的抗蠕变性能，模壳材料通常采用氧化铝材料制备，但其热膨胀系数较高，例如，100℃至定向凝固温度1520℃，热膨胀系数从3.0变化至4.75
×
10
‑6/℃，期间，最大值为8.5
×
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‑6/℃，该模壳热膨胀曲线图见图1；为了保证化学脱除性，市售型芯材料通常采用二氧化硅陶瓷型芯，其热膨胀系数较低，100℃至定向凝固温度1520℃，其范围为3.0
×
10
‑6/℃至—2.56
×
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‑6/℃，期间最大值为5.0
×
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‑6/℃，见图2；可见，这两种材料的动态热膨胀系数变化范围及数值差距较大，容易导致模壳与型芯之间产生热应力并导致型芯的变形、弯曲或断裂，最终导致叶片表面与内腔的尺寸不合格或低合格率。
[0008]现有工艺中，尽管采用型芯自由端工艺技术可保证型芯与模壳之间热膨胀不干涉或两者间应力很小，但只适用于简单结构的柱状或棒状陶瓷型芯与模壳之间的单向调整，对于复杂结构陶瓷型芯，尚无法满足型芯与模壳之间的同时刻空间热膨胀干涉与调整。
[0009]公告号为CN104086161A的专利技术专利公开了一种可调节热膨胀系数的硅基陶瓷型芯的制备方法，采用氧化铝提高二氧化硅型芯的热膨胀系数，但其热膨胀系数只能控制在0
‑
3.96
×
10
‑6/℃的范围内，显而易见，该陶瓷型芯与氧化铝模壳热膨胀系数仍然存在较大的差异，尚不能达到模壳与型芯间的低应力状态，无法满足定向凝固空心叶片实际生产的需求。除此以外，氧化铝型芯或高氧化铝含量型芯脱除困难或难以脱除，即使能够脱除也需较长的脱芯时间，同时还容易形成残余型芯，造成废品率的显著提高。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法，克服现有技术的不足，制备与氧化铝陶瓷模壳动态热膨胀系数相近的陶瓷型芯，保证模壳与型芯的动态热膨胀具有一致性，使模壳/型芯系统始终处于低应力状态，提高定向凝固叶片的尺寸精度及合格率，同时改善型芯脱除效果。
[0011]为实现上述目的，本专利技术采用如下方案实现：
[0012]一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法，其特征在于，包括陶瓷型芯的成型和烧结、蜡模制作、模壳的成型和脱蜡以及模壳的烧结，模壳的第1
‑
2层为面层涂料，第3
‑
7层为背层涂料，具体操作步骤如下：
[0013]1)陶瓷型芯的成型和烧结:陶瓷型芯素坯采用注射成型工艺制备，其组分按重量份比构成为氧化镁粉25
‑
75、石英玻璃粉25
‑
75及增塑剂15
‑
18，增塑剂为石蜡与聚乙烯的混合物，石蜡与聚乙烯的质量配比为96：4
‑
99：1之间；成型压力为30
‑
80大气压，注射时间10
‑
60秒，保压时间10
‑
120秒；陶瓷型芯烧结工艺为：升温速度0.5
‑
5℃/分钟，升温至烧结温度，烧结温度为1200
‑
1300℃，保温时间2
‑
10小时，随炉冷却；
[0014]2)蜡模制作，陶瓷型芯制备完成后，制备包含陶瓷型芯的蜡模；
[0015]3)模壳的成型和脱蜡，模壳整体采用涂料
‑
撒砂工艺制备，具体工艺步骤为：模壳面层涂料采用高纯刚玉粉与硅溶胶混合制备，面层涂料的粉液重量比为3.3
‑
3.5:1，所述模壳面层涂料撒砂60
‑
80目；模壳背层料浆采用高纯刚玉粉与硅溶胶混合制备，背层的粉液比为质量比3.8
‑
4.5:1，第3至第7层背层涂料撒砂24
‑
36目，模壳干燥相对湿度控制在40
‑
70％，温度控制在23
‑
35℃，干燥时间4
‑
8小时；模壳脱蜡温度为160
‑
180℃，脱蜡压力为0.6
‑
0.8MPa，时间10
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30秒；
[0016]4)模壳的烧结，模壳焙烧温度为850
‑
1000℃，时间2
‑
4小时。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]1)本专利技术采用具有高膨胀系数的氧化镁陶与低膨胀系数的二氧化硅制备陶瓷型芯，在保证其具有良好抗高温蠕变及可脱除性的情况下，使之与氧化铝陶瓷模壳型芯动态热膨胀系数一致或相近，使模壳/型芯系统始本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定向凝固用低热应力模壳型芯系统制备方法，其特征在于，包括陶瓷型芯的成型和烧结、蜡模制作、模壳的成型和脱蜡以及模壳的烧结，模壳的第1
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2层为面层涂料，第3
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7层为背层涂料，具体操作步骤如下：1)陶瓷型芯的成型和烧结:陶瓷型芯素坯采用注射成型工艺制备，其组分按重量份比构成为氧化镁粉25
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75、石英玻璃粉25
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75及增塑剂15
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18，增塑剂为石蜡与聚乙烯的混合物，石蜡与聚乙烯的质量配比为96：4
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99：1之间；成型压力为30
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80大气压，注射时间10
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60秒，保压时间10
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120秒；陶瓷型芯烧结工艺为：升温速度0.5
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5℃/分钟，升温至烧结温度，烧结温度为1200
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1300℃，保温时间2
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10小时，随炉冷却；2)蜡模制作，陶瓷型芯制备完成后，制备包含陶瓷型芯的蜡模；3)模壳的成型和脱蜡，模壳整体采用涂料
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撒砂工艺制备，具体工艺步骤为：模壳面层涂料采用高纯刚玉粉与硅溶胶混合制备，面层涂料的粉液重量比为3.3
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3.5:1，所述模壳面层涂料撒砂60
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80目；模壳背层料浆采用高纯刚玉粉与硅溶胶混合制备，背层涂料的粉液比为质量比3.8
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4.5:1，第3至第7层背层涂料撒砂24
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36目，模壳干燥相对湿度控制在40
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70％，温度控制在23
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35℃，干燥时间4
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8小时；模壳脱...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛萍莉，贺康兴，姜卫国，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：