[发明专利]一种凝胶注模涡轮叶片陶瓷铸型真空脱脂的方法

说明书

技术领域

本发明属于快速铸造领域，尤其涉及一种凝胶注模涡轮叶片陶瓷铸型真空脱脂的方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机和燃气轮机的关键部件之一，其工作温度高，工作环境恶劣，应力状态复杂，设计和制造的难度较大。传统的空心涡轮叶片的制造方法为熔模铸造，异性气膜孔和复杂冷却技术的提出对传统涡轮叶片制造技术提出了挑战。具体来说，熔模铸造工艺的不足体现在型芯和蜡模模具组合过程中存在安装误差、铸造过程中易产生偏芯穿孔缺陷、工艺过程复杂冗长等方面。

基于光固化快速成型的空心涡轮叶片一体式陶瓷铸型制造方法，有效地克服了熔模铸造方法固有的缺陷，其主要工艺流程为：基于光固化增材制造技术成型空心涡轮叶片陶瓷铸型的树脂模具；凝胶注模成型整体式陶瓷铸型素坯；冷冻干燥后脱脂预烧结；浸渍后处理，终烧结。

由于陶瓷坯体在脱脂阶段尚未烧结，强度的维持主要依靠凝胶体系交联形成的网状结构。陶瓷铸型素坯在大气环境下脱脂过程中，凝胶体系受热分解并迅速氧化燃烧(500℃以下)，产物主要为CO₂、H₂O等气体。500℃以下陶瓷坯体尚未开始烧结反应，400～600℃为陶瓷坯体的“中温零强度区间”。若升温工艺控制不当，极易造成瞬时发气量过大，对坯体造成冲击损坏；由于树脂模具和陶瓷坯体热膨胀系数相差较大，热应力会使强度较低的陶瓷坯体产生型壳开裂、型芯断裂、型芯偏移等缺陷。通过添加纤维的方式可以提高陶瓷坯体在中温区间的强度，但对陶瓷浆料的流动性影响较大，难以保证细微结构的充型质量。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种凝胶注模涡轮叶片陶瓷铸型真空脱脂的方法，通过将凝胶注模成型的陶瓷铸型素坯在真空环境下进行脱脂，减小脱脂过程中的瞬时发气量，减缓凝胶体系的烧失过程。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

包括以下步骤：

(1)使用三维造型软件设计叶片树脂模具，将所设计的叶片树脂模具的数据导入Magics分层软件进行分层处理，根据模型分层数据制作空心涡轮叶片树脂模具；

(2)制备高固相、低粘度的氧化铝基陶瓷浆料；

1)按照质量百分比称取60～70％大粒径氧化铝、25～35％小粒径氧化铝以及1～5％氧化镁，并在容器中搅拌混合均匀，得到粉料；

2)将有机单体和交联剂按照质量比(15～20):1溶解到去离子水中，再添加分散剂，搅拌溶解，配制成预混液；

3)称取预混液，将预混液倒入球磨罐中，将粉料加入预混液中，搅拌均匀，调节PH至9～11，得到预制浆料，所述预制浆料的固相含量为55％～60％；

4)将预制浆料在球磨机中球磨分散，获得高固相低粘度的陶瓷浆料；

(3)应用凝胶注模方法，在真空和振动环境下，向空心涡轮叶片树脂模具中浇注陶瓷浆料，在催化剂和引发剂的诱导下，使陶瓷浆料固化，形成凝胶注模陶瓷铸型素坯；

(4)通过真空冷冻干燥方法，去除凝胶注模陶瓷铸型素坯中的水分；

(5)待凝胶注模陶瓷铸型素坯中水分去除后，在真空脱脂炉中进行脱脂，并当凝胶注模陶瓷铸型素坯内高分子有机单体和交联剂充分热解后，缓慢通入空气，以使残碳燃烧，最终使叶片陶瓷铸型在大气环境下进行预烧结，得到涡轮叶片陶瓷铸型。

所述步骤(1)中，进行分层处理后的叶片树脂模具还进行内部镂空处理，得到内部镂空的空心涡轮叶片树脂模具。

所述步骤(2)中有机单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、羟甲基丙烯酰胺、烷基丙烯酰胺、丙烯酸或甲基丙烯酸。

所述步骤(2)交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺或丙烯基丙烯酸甲酯。

所述步骤(2)的1)中的配制成预混液的质量浓度为10～20％，所述分散剂加入量为粉料质量的1～3％。

所述步骤(2)的4)中在行星式球磨机中球磨分散，料球比为1:(1.5～2.5)，行星式球磨机的转速为300～400r/min，球磨时间为20～50min。

所述大粒径氧化铝的粒径为20～100μm，小粒径氧化铝的粒径为2～10μm。

所述步骤(3)中的催化剂为四甲基乙二胺溶液，引发剂为过硫酸铵溶液、过硫酸钾、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁氰或偶氮双氰基戊酸钠。

所述(5)的具体过程为：

首先，待凝胶注模陶瓷铸型素坯中水分去除后，将凝胶注模陶瓷铸型素坯放入真空脱脂炉中，并将真空脱脂炉温度从室温以30～60℃/h升温速率升至500～700℃；