CN112191829A - 一种精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜及脱除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造技术领域，涉及一种精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜及脱除方法，所述脱芯釜包括下釜体(17)和上釜盖(2)；下釜体(17)从外到内依次包括：金属外壳(6)、保温层(8)、微波加热装置(16)、金属屏蔽网(13)、承压密封层(14)、内置反应容器(15)；本发明采用具有微波加热、超声波搅拌功能、机械搅拌的密闭高压脱芯反应釜，提升了脱芯剂和陶瓷型芯间的化学反应热力学、动力学作用，从而有效提升反应速率，实现复杂空心叶片内部陶瓷型芯的高效脱除。使用脱芯釜和对应的脱芯工艺方法。既可实现了空心叶片中陶瓷型芯的快速脱除，又可避免脱芯剂对铸件的腐蚀作用。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造技术领域，涉及一种精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜及脱除方法。
背景技术
现代航空发动机叶片具有复杂的空心内腔冷却结构，主要依靠熔模精密铸造方法来进行制备。为形成复杂的内腔冷却结构，空心叶片精密铸造过程中需要采用耐高温、强度适中并且形状非常复杂的氧化硅基、氧化铝基陶瓷型芯等。但是，随着空心叶片对于材料承温能力、冷却结构的要求进一步提升，陶瓷型芯的成分也有很大变化，造成陶瓷型芯脱芯难度进一步增加，而叶片更为复杂内腔结构也使得新鲜脱芯剂难以到达陶瓷型芯反应界面，并且反应产物排出空腔的困难程度增加。此外，脱芯过程中由于脱芯剂和空心叶片铸件的长时间接触，也会对叶片本身造成腐蚀，影响叶片内腔和表面的质量。由此可见，陶瓷型芯的脱除已经成为发动机叶片生产过程中不可忽略的关键过程之一。
目前，氧化硅基陶瓷型芯的脱除方法主要是采用高温碱性溶液(如氢氧化钾和氢氧化钠溶液或二者混合溶液等)，通过机械搅拌或间歇性通入气泡来提高溶液与型芯的接触状况；而氧化铝基陶瓷型芯的脱除主要采用氟化氢钾等熔盐进行脱除，低温熔盐的粘度较大，而高温熔盐则会造成叶片严重腐蚀。总体上讲，仅仅是通过传统化学工业中增加反应温度、压力以及加强搅拌等来优化反应热力学和动力学条件，提升反应速率。虽然，这些方法能够在一定程度上提升型芯的脱除速率，但也在一定程度上造成了对叶片的腐蚀，同时往往也会出现残留型芯较多的现象。
发明内容
本发明的目的是：为解决上述现有型芯脱除技术的不足，本发明提供了一种精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜及高效脱除方法，该方法可有效减少型芯脱除时间，确保精密铸造空心叶片中无残留型芯，提升叶片冶金质量。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜，所述脱芯釜包括下釜体17和与下釜体17顶部配合的上釜盖2；所述下釜体17内部为圆柱形空腔结构，从外到内依次包括：金属外壳6、保温层8、微波加热装置16、金属屏蔽网13、承压密封层14、内置反应容器15；
所述下釜体17内腔底部具有搅拌装置11，并均匀分布有超声波搅拌装置12；
所述的下釜体17底部设有废液排放口10；所述的上釜盖2上设有测温管1、进气阀4、压力表3、放气阀18、压力控制阀19；
采用微波进行加热，并采用测温管1进行温度测量与控制。
所述的上釜盖2和下釜体17通过锁紧装置5相互配合；
内置反应容器15内部设有叶片托盘7以及托盘支架9。
所述保温层8、微波加热装置16、金属屏蔽网13均匀分布在下釜体17内侧壁。
所述超声波搅拌装置12可间歇性自动开启和关闭。
所述承压密封层14的材质为纤维增强复合材料。
所述内置反应容器15的材质包括但不限于聚四氟乙烯材质。
另一方面，提供一种精密铸造空心叶片型芯的脱除方法，利用所述的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜进行型芯脱除，脱除方法包括如下步骤：
步骤1，将内含陶瓷型芯的空心叶片放入叶片托盘7中；将叶片托盘7放在脱芯釜内的托盘支架9上；
步骤2，在脱芯釜中注入脱芯剂，脱芯剂液面高度必须超过脱芯工装；所述脱芯剂根据型芯材质选择；
步骤3，封闭脱芯釜；开启微波加热装置，将脱芯剂加热到120-300℃，开启机械搅拌装置；间歇性开启和关闭超声波搅拌装置；
步骤4，脱芯剂到温后，通过进气阀充入氩气；
步骤5，保持脱芯釜内温度、压力以及超声搅拌装置和机械搅拌装置的运行状态，直至型芯脱除完成；
步骤6，将脱芯釜温度降到室温，压力通过放气阀泄压至常压状态；
步骤7，打开脱芯釜上釜盖，取出空心叶片，对残余脱芯剂进行中和后，用高压水清洗得到型芯脱除后的空心叶片。
步骤3中机械搅拌装置的转速为300-1500rpm/min；超声波搅拌装置开启持续时间为3-10min，关闭持续时间为10-20min。
所述型芯脱除过程中，脱芯釜内压力≤20MPa。
所述型芯脱除过程持续时间为5-24h。
本发明的有益效果是：
本发明提供的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜及高效脱除方法可以加速脱芯过程，采用具有微波加热、超声波搅拌功能、机械搅拌的密闭高压脱芯反应釜，提升了脱芯剂和陶瓷型芯间的化学反应热力学、动力学作用，从而有效提升反应速率，实现复杂空心叶片内部陶瓷型芯的高效脱除。既可实现了空心叶片中陶瓷型芯的快速脱除，又可避免脱芯剂对铸件的腐蚀作用。有如下具体效果：
1、微波加热可以快速均匀的将脱芯釜中脱芯剂的温度加热到高温，高温作用可提升反应速率。同时，微波电磁场的方向的急速、高频转换，会促使脱芯叶和型芯分子的互相碰撞摩擦，同时也会使型芯样品表面快速破裂，产生新的表面与脱芯剂不断产生新的接触界面，可有效促使脱芯剂和型芯化学反应的加速进行。此外，微波产生的交变电磁场也相当于高速搅拌器，提高化学反应速率，促使脱芯反应加速。
2、超声波震荡搅拌则是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用以及直进六作用对于脱芯剂和型芯直接、间接作用，使得型芯表面颗粒、脱芯反应产物等被分散、乳化，快速从型芯表面玻璃，产生新的脱芯反应界面，加速脱芯反应。
3、机械搅拌则是加速脱芯剂在脱芯釜以及叶片内腔中的运动，使脱芯剂能够使新鲜脱芯剂能够快速流入叶片复杂的内腔，而已反应的脱芯剂或反应产物也能够快速流出叶片复杂腔，加速脱芯剂在叶片内腔的不断更新，从而提升脱芯反应速率。
4、脱芯反应过程中脱芯釜是密闭的，并能够充入惰性气体进行加压，也具有压力控制系统。高的压力能够加速脱芯剂和型芯间的化学反应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜结构示意图；
其中，1-测温管，2-釜盖，3-压力表，4-进气阀，5-锁紧装置，6-外壳，7-叶片托盘，8-保温层，9-托盘支架，10-废液排放口，11-机械搅拌装置，12-超声搅拌装置，13-金属屏蔽网，14-纤维增强复合材料承压密封层，15-内置反应容器，16-微波加热装置，17-下釜体，18-放气阀，19压力控制阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
如图1所示为本发明的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜结构示意，包括金属外壳6、保温层8、金属屏蔽网13、纤维增强复合材料承压密封层14、内置反应容器16，与下釜体17顶部配合的上釜盖2，嵌入保温层和金属屏蔽网且均匀分布在下釜体17内的微波加热装置16，下釜体17内的搅拌装置11，在下釜体17底部均匀分布的超声波搅拌装置12；所述的下釜体17底部设有废液排放口10；所述的上釜盖2上设有测温管1、进气阀4、压力表3、放气阀18、压力控制阀19；所述的上釜盖2和下釜体17设有相互配合的锁紧装置；内置反应容器16内部设有叶片托盘7以及托盘支架9；内置反应容器16的材质为聚四氟乙烯材质；脱芯釜采用微波进行加热，并采用测温管1进行温度测量与控制；其中超声波搅拌装置12可间歇性自动开启和关闭。
采用上述脱芯釜进行氧化硅基型芯脱除，工艺过程如下：
步骤1，将内含氧化硅陶瓷型芯的空心叶片放入脱芯工装即叶片托盘7中；将脱芯工装放在脱芯釜内的脱芯工装支架即托盘支架9上；
步骤2，在脱芯釜中注入氢氧化钾溶液脱芯剂，氢氧化钾溶液液面高度超过脱芯工装5cm；
步骤3，封闭脱芯釜；开启微波加热装置，将脱芯剂加热到200℃，开启机械搅拌装置，搅拌转速800rpm/min；间歇性开启和关闭超声波搅拌装置，超声波搅拌装置开启持续时间为10mn，关闭持续时间20min；
步骤4，脱芯剂到温后，通过进气阀充入氩气，使脱芯釜内压力达到5MPa；
步骤5，保持脱芯釜内温度、压力以及超声搅拌装置和机械搅拌装置的运行状态5h；
步骤6，将脱芯釜温度降到室温，开启放气阀泄压至常压状态；
步骤7，打开脱芯釜上釜盖，取出空心叶片，对残余脱芯剂进行中和后，用高压水清洗得到型芯脱除后的空心叶片。
通过光纤观察和X光透视分析，未发现叶片内腔有残余型芯。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，其他的任何未背离本发明所作的改变均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜，其特征在于：所述脱芯釜包括下釜体(17)和与下釜体(17)顶部配合的上釜盖(2)；所述下釜体(17)内部为圆柱形空腔结构，从外到内依次包括：金属外壳(6)、保温层(8)、微波加热装置(16)、金属屏蔽网(13)、承压密封层(14)、内置反应容器(15)；
所述下釜体(17)内腔底部具有搅拌装置(11)，并均匀分布有超声波搅拌装置(12)；
所述的下釜体(17)底部设有废液排放口(10)；所述的上釜盖(2)上设有测温管(1)、进气阀(4)、压力表(3)、放气阀(18)、压力控制阀(19)；
所述上釜盖(2)和下釜体(17)通过锁紧装置5相互配合；
所述内置反应容器(15)内部设有叶片托盘(7)以及托盘支架(9)。
2.根据权利要求1所述的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜，其特征在于：所述保温层(8)、微波加热装置(16)、金属屏蔽网(13)均匀分布在下釜体(17)内侧壁。
3.根据权利要求1所述的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜，其特征在于：所述超声波搅拌装置(12)可间歇性自动开启和关闭。
4.根据权利要求1所述的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜，其特征在于：所述承压密封层(14)的材质为纤维增强复合材料。
5.根据权利要求1所述的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜，其特征在于：所述内置反应容器(15)的材质包括但不限于聚四氟乙烯材质。
6.一种精密铸造空心叶片型芯的脱除方法，利用权利要求1所述的精密铸造空心叶片型芯的脱芯釜进行型芯脱除，其特征在于，所述的脱除方法包括如下步骤：
步骤1，将内含陶瓷型芯的空心叶片放入叶片托盘(7)中；将叶片托盘(7)放在脱芯釜内的托盘支架(9)上；
步骤2，在脱芯釜中注入脱芯剂，脱芯剂液面高度必须超过脱芯工装；
步骤3，封闭脱芯釜；开启微波加热装置，将脱芯剂加热到120-300℃，开启机械搅拌装置；间歇性开启和关闭超声波搅拌装置；
步骤4，脱芯剂到温后，通过进气阀充入氩气；
步骤5，保持脱芯釜内温度、压力以及超声搅拌装置和机械搅拌装置的运行状态，直至型芯脱除完成；
步骤6，将脱芯釜温度降到室温，压力通过放气阀泄压至常压状态；
步骤7，打开脱芯釜上釜盖，取出空心叶片，对残余脱芯剂进行中和后，用高压水清洗得到型芯脱除后的空心叶片。
7.根据权利要求6所述的精密铸造空心叶片型芯的脱除方法，其特征在于：步骤3中机械搅拌装置的转速为300-1500rpm/min；超声波搅拌装置开启持续时间为3-10min，关闭持续时间为10-20min。
8.根据权利要求6所述的精密铸造空心叶片型芯的脱除方法，其特征在于：所述型芯脱除过程中，脱芯釜内压力≤20MPa。
9.根据权利要求6所述的精密铸造空心叶片型芯的脱除方法，其特征在于：所述型芯脱除过程持续时间为5-24h。
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