一种双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法

技术领域

本发明涉及陶瓷模壳的制造方法，具体涉及一种双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法。

背景技术

陶瓷模壳广泛应用于熔模铸造，配合陶瓷型芯来制备带有复杂型腔的铸件。随着国家对蓝色海洋事业大力发展，舰船用燃气轮机功率越来越大，对叶片的性能要求越来越高，大量带有型腔的大尺寸叶片，甚至是双层叶片得到应用，对陶瓷模壳的要求越来越高。

目前，可倒车动力涡轮结构研究中，最重要的部分是用于燃气轮机的可倒车涡轮双通道一带二动叶结构的研究。该结构包括正车叶片、两个倒车叶片及叶冠，正车叶片通过叶片延伸连接结构与两个倒车叶片连接，倒车叶片顶部设有叶冠，正车叶片底部设有榫根；叶片延伸连接结构的倒车叶片延伸部分与正车叶片延伸部分呈交叉状，且延伸部分设有三角形缺口；叶片延伸连接结构为镂空设计。所述结构具体见中国专利CN105715305A中的记载，该种结构由中国船舶重工集团公司第七〇三研究所研发，由山东瑞泰新材料科技有限公司负责制造。

可倒车涡轮叶片叶身长度500mm，叶身较长，且存在厚薄不均匀的问题。在浇注可倒车叶片过程中，由于大叶片采用实心设计，两个倒车叶片采用镂空设计，且大叶片与小叶片连接处存在突出平台部分，冷却过程中，由于热胀冷缩的缘故，模壳与叶片均发生一定的收缩，但是，由于金属材料晶胞配位数和致密度发生变化较大，模壳对叶片突出部分的收缩存在阻碍性，导致大小叶片连接处易形成裂纹，叶片浇注的成功率低。

如何解决这一问题，提高叶片浇注的成功率是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法，减少叶片裂纹的产生，提高浇注叶片的成品率，该制造方法科学合理、简单易行。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

所述的一种双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法，包括蜡模制备、浆料制备、沾浆、撒砂、干燥、脱蜡和焙烧步骤；

其中，所述的浆料由如下重量份数的原料制成：

表面活性剂为聚异丙二醇醚或十二醇环氧乙烷缩合物；

消泡剂为正辛醇；

所述的浆料的制备方法如下：

将碳纳米纤维分散在二甲苯中，将其与硅溶胶、锆英粉、表面活性剂和消泡剂混合均匀。

其中，优选的技术方案如下：

所述的碳纳米纤维直径为10-50nm，长度为5-20μm。碳纳米纤维是一种高性能纤维，是新一代军民两用新材料，已广泛用于航空航天，交通，体育与休闲用品，医疗，机械，纺织等领域。

所述的蜡模制备步骤为：将石蜡和硬酯酸混合均匀后，压制成型，检验后备用；石蜡与硬酯酸的质量比为1：1。

所述的撒砂采用刚玉颗粒，其中，模壳表面层刚玉颗粒直径为45-65目，加固层刚玉颗粒直径自35-45目过渡到20-30目。

所述的干燥过程中，干燥区温度为25-30℃，空气相对湿度为50％-80％。

所述的脱蜡采用水浴脱蜡，水温为95-98℃，脱蜡时间为15-20min。

所述的焙烧步骤具体为：

焙烧炉由25℃升至260-280℃，升温速率为2-5℃/min；

保温20-30min；

升温至590-610℃，升温速率为5-10℃/min；

保温30-35min；

升温至890-910℃，温速率为10-15℃/min；

保温120-130min；

炉冷至室温。

本发明的有益效果如下：

1、本发明在模壳制造过程中添加碳纳米纤维，加入碳纳米纤维的模壳，经过高温焙烧后，能够在模壳中形成碳纳米管道，该管道能够提高模壳的透气性，促进模壳的烧结，同时，在叶片纵向收缩过程中，有利于裂纹的形成，降低模壳纵向强度，减少叶片裂纹的产生，提高浇注叶片的成品率。

2、本发明双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法，科学合理、简单易行，制造的模壳主要适用于抗热腐蚀涡轮叶片铸件，特别是燃气轮机用大尺寸涡轮叶片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例中采用的原料除特殊说明外，均为市售原料。

实施例1

所述的双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法，由以下步骤组成：

(1)蜡模制备

将石蜡和硬酯酸按照质量比1：1进行配比，模料经充分混合后，压制成型，检验后备用。

(2)浆料制备

所述的浆料由如下重量份数的原料制成：

其中，所述碳纳米纤维的直径为10-50nm，长度为5-20μm。

将碳纳米纤维放置在二甲苯中，采用超声波振荡2小时后，纳米碳纤维均匀分散在二甲苯中，得二甲苯碳纳米纤维溶液；

将硅溶胶和锆英粉混合，不断搅拌下，加入聚异丙二醇醚、正辛醇和二甲苯碳纳米纤维溶液，不断搅拌，待二甲苯挥发尽后，纳米碳纤维均匀分布在浆料中，制得纳米碳纤维均匀分布的挂浆浆料。

(3)沾浆

将制备好的蜡模放入浆料中，上下晃动，沾浆时间为25s。

(4)撒砂、干燥

取出后蜡模后，采用淋砂机撒上直径为23目的刚玉颗粒，然后进行干燥处理，干燥区温度控制在28℃，空气相对湿度控制在70％，完成后即成模壳面层。

重复以上过程，不同点在于，刚玉颗粒的直径存在差别，其中，模壳第2-5层为过渡层，选择刚玉颗粒直径为28目，第6层加固层选择刚玉颗粒直径为40目，第7-10层为过渡层，选择刚玉颗粒直径为45目、48目、50目和50目，最外层选择刚玉颗粒直径为65目。

(5)脱蜡

采用水浴脱蜡，水温为98℃，脱蜡时间为20min。

(6)焙烧

焙烧炉由25℃升至270±10℃，升温速率为4℃/min；

保温30min；

升温至600±10℃，升温速率为8℃/min；

保温35min；

升温至900±10℃，温速率为12℃/min；

保温125min；

炉冷至室温，制得模壳。

采用实施例1制造的模壳浇注制备用于燃气轮机的可倒车涡轮双通道一带二动叶结构，成功率为70％，成功制备的叶片不存在任何裂纹。

对比例1

所述的双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法同实施例1，不同之处在于采用的碳纳米纤维的直径为10-50nm，长度为25-100μm。

采用对比例1制造的模壳浇注制备用于燃气轮机的可倒车涡轮双通道一带二动叶结构，成功率为35％。

对比例2

所述的双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法同实施例1，不同之处在于采用的碳纳米纤维的直径为55-100nm，长度为5-20μm。

采用对比例2制造的模壳浇注制备用于燃气轮机的可倒车涡轮双通道一带二动叶结构，成功率为30％。

对比例3

所述的双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法同实施例1，不同之处在于采用的碳纳米纤维的直径为55-100nm，长度为20-100μm。

采用对比例3制造的模壳浇注制备用于燃气轮机的可倒车涡轮双通道一带二动叶结构，成功率为10％。

对比例4

所述的双层可倒车涡轮叶片用模壳的制造方法同实施例1，不同之处在于所述浆料制备过程中不采用碳纳米纤维。

采用对比例3制造的模壳浇注制备用于燃气轮机的可倒车涡轮双通道一带二动叶结构，成功率达到20％。

通过对比实施例1与对比例1-3可得，陶瓷模壳中添加碳纳米纤维，明显减少大小叶片连接处裂纹的形成，有效提高可倒车涡轮叶片浇注的成功率。同时，陶瓷模壳中添加碳纳米纤维，对其直径和长度存在一定要求。碳纳米纤维直径和长度越大，能促进模壳烧结但降低模壳强度较大，在浇注钢液过程中，高温钢液对模壳产生冲击力，会使模壳破裂，不利于铸件的成型。

按照国标JB/T 2980.2-1999熔模铸造型壳高温抗弯强度试验方法检测实施例1和对比例1-4制得的模壳的横向和纵向强度，试验温度为1430℃，试验次数为5次，检测结果见表1。其中，所测的强度指的是模壳横截面和纵截面的强度。

表1检测结果

由实施例1和对比例1-2可以看出，碳纳米纤维直径和长度对模壳强度影响较大。适当降低模壳强度有利于提高浇注铸件成功率，但是过低，不利于铸造的浇注成功率。