[发明专利]一种用于单晶叶片制造的薄壁高强度模壳制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温合金定向凝固领域，特别是单晶涡轮叶片的制造工艺问题，具体为利用碳纤维包覆以制备出薄壁高强度模壳。 

背景技术

利用高温合金的定向凝固来铸造单晶涡轮叶片，已成为制造高效航空发动机的关键技术之一。目前这种叶片的生产都是利用Bridgman定向凝固进行的。为此，陶瓷模壳需要先在炉体上部的热区内预热到高于合金的熔点温度后，浇入通过感应熔化的高温合金熔液，然后模壳以预定的速度缓慢下降，穿过隔热挡板进入炉体下部的冷区，整个铸件由下至上逐渐冷却并凝固。利用壳型下部的螺旋选晶器，可使仅有一个晶粒能通过并扩展到整个铸件。由于消除了晶界这个高温工作条件下的最薄弱环节，使得叶片的高温性能大为提高，寿命也提高了几十倍。随着航空发动机叶片尺寸的不断加大，以及大型工业燃气轮机对单晶叶片的迫切需求，使得大尺寸叶片的生产成为急需解决的关键问题。 

为了制造大尺寸的单晶叶片或铸件，必须加大陶瓷壳的厚度，以保证在浇注和长时间的定向凝固期间能维持足够的强度。然而模壳厚度的增加，使得铸件的散热冷却变得极为困难，造成凝固界面温度梯度降低，易产生铸造缺陷和生产率低下等问题。为了提高铸件的冷却速度，尤其是凝固界面的温度梯度，人们尝试了运用液体金属冷却(LMC)和气体冷却(GC)的办法。这两种方法虽然有一定效果，但只能强化模壳表面的散热能力，并不能解决厚模壳本身的巨大热阻问题。对于大尺寸叶片，铸件难以透过模壳向外散热。此外这两种方法需对炉体进行改造，并需添加大量的辅助设备，浇铸工艺变得非常复杂，生产成本大大增加。因此这两种方法虽经过十几年的大量研究，至今未能在 生产上得到应用。 

因此从模壳制作工艺着手减小其壁厚，同时保证其高温强度，不仅能提高单晶制备过程中已凝固部分的散热速度，还能大大减少产生夹晶等不良缺陷的形成。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种用于单晶叶片制造的薄壁高强度模壳制备方法。 

本发明的技术方案如下： 

一种用于单晶叶片制造的薄壁高强度模壳制备方法，包括以下步骤：A1制壳工艺：(1)浆料配制，浆料采用JN-30硅溶胶做粘结剂，高纯刚玉粉为粉料配制；首先将一定量硅溶胶倒入混浆桶内；再加入JFC润湿剂以保证浆料在蜡模上的涂挂性，其添加量约为硅溶胶质量的0.1％-0.5％；接着加入刚玉粉，加入量按照硅溶胶与刚玉粉质量比例约为1∶3；最后加入XP-1有机硅消泡剂以保证浆料的均匀性和完整性，添加量约为硅溶胶质量的0.05％-0.02％；浆料在料筒内搅拌混合20～30小时后待用； 

(2)挂浆，将组装好的蜡模浸入浆料桶内数秒，取出，用压缩空气轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀； 

(3)淋砂，挂浆后即进行淋砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布；下次挂浆前，吹尽浮砂； 

(4)重复以上操作，直到预定层数；越往外层，砂粒直径越大，浆料粘度应逐渐越低； 

(5)封浆，将蜡模浸入浆桶内，充分浸润，取出，干燥； 

A2缠绕碳纤维及干燥； 

制作好模壳后进行常规脱蜡、焙烧，冷却至室温后在外层涂刷浆料，同时将碳纤维置于浆料内浸湿，取出后将碳纤维布沿模壳外形缠绕，包覆，挤出空气，缠绕一层即可。然后进行干燥，干燥条件：干燥温度25±5℃，湿度≤50％，干燥时间20-50h，风速2-8m·s^-1。 

本发明的有益效果为： 

本发明采用碳纤维的包覆，与传统的硅溶胶模壳相比，在保证模壳热强度的前提下，减少了模壳层数，从而降低了模壳的整体厚度，提高了模壳的导热能力，有利于温度梯度的提高。传统硅溶胶模壳的导热能力受模壳材料，孔隙率的制约，在获得足够热强度时，很难达到理想状态(λ₁＜0.56W/(m·K))。而本发明所采用的碳纤维布，系微晶石墨材料，导热系数λ₂达100以上，是理想的导热材料，且抗拉强度在3400MPa以上，为模壳的减薄创造了条件。 

附图说明

图1为现有技术的散热示意图； 

图2为本发明的散热示意图； 

图3是碳纤维束的应力-拉伸曲线； 

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。 

实施例1 

1.制壳工艺 

和普通熔模精密铸造模壳不同，用于单晶定向凝固的模壳不仅需要优良的高温强度，而且要求模壳有较强的的散热性能。因此，在制壳时主要采用低密度陶瓷浆料，细粒度砂粒淋砂。具体工艺流程如下。