用於製造渦輪機葉片的浸漬陶瓷型芯的方法

2023-05-03 20:10:26

用於製造渦輪機葉片的浸漬陶瓷型芯的方法
【專利摘要】用於機械地增強在通過熔模鑄造方法的渦輪發動機部件製造中使用的陶瓷型芯的浸漬方法，該方法涉及在通過在水中溶解聚乙烯醇(PVAl)獲得的混合物中浸塗所述芯，隨後將所述芯浸沒在純水中並熱聚合反應，其特徵在於，劑量在每升水100到200克PVAl之間。浸漬時間優選地在20分鐘到1小時30分鐘之間。
【專利說明】用於製造渦輪機葉片的浸漬陶瓷型芯的方法
[0001]本發明的領域是渦輪發動機，更具體地，是這些渦輪發動機的金屬葉片組件的製造。
[0002]為了製造如用於渦輪發動機的金屬葉片組件等部件，其具有帶有複雜幾何形狀的內部空腔，通常使用被稱為熔模鑄造的技術。這包括用之後可很容易除去的蠟或其他等同材料生產部件的初始模型。
[0003]製造過程開始於生產一種形成翻砂型芯並包括葉片組件的內部空腔的內部部件。然後使用注射模具進行蠟模，芯放置到注射模具內以及蠟注射到注射模具內。然後在該模型周圍形成陶瓷外殼，該外殼包括通過在幾個料漿內連續浸塗而生產的多個層。料漿由帶有膠狀礦物粘合劑以及必要時添加劑的陶瓷材料顆粒組成。
[0004]外殼模具然後脫蠟，脫蠟是一種除去形成原始蠟模型的材料的操作。在已除去該模型後，獲得了陶瓷模具，其內腔再產生葉片的所有形狀並且該模具仍封裝用於產生葉片的內部空腔的陶瓷型芯。模具然後經過高溫熱處理或「烘烤」，這賦予它必要的力學性能。
[0005]外殼模具因此準備用於通過鑄造製造金屬部件。在已經檢查了外殼模具的內部和外部完整性之後，下一步驟包括鑄造熔融金屬，其佔據外殼模具內壁和芯之間的空餘空間，然後固化所述金屬。最後，在已經鑄造了合金後，外殼通過抖動操作斷裂，然後經由化學處理除去了在葉片中保持封裝的陶瓷型芯以及用通過加工或拋光的精加工製造金屬部件端部。
[0006]陶瓷型芯經常遇到的問題是它們具有非常精細的幾何圖形並且在經由注蠟的過模過程中它們容易斷裂或變形。因此在製造過程結束時有必要實施加固操作。目前使用的一種方法包括使用與稀釋劑混合的樹脂填充芯的孔隙，然後聚合反應該樹脂，其然後能使其機械強度翻兩番。常用的產品是聚環氧化物樹脂，如環氧樹脂以及由混合溶劑組成的稀釋劑，如甲苯和甲醇。
[0007]這些產品的缺點是，它們通常有毒(分類為CMR，即致癌，致突變或生殖有毒的)並且它們需要由操作者實施的保護措施。除此之外，它們需要，在[法國]勞動法下，他們需要穿戴個人防護設備和對於每個操作者接觸的特定監視，以及以下的前提，抽吸系統和乾燥設備符合ATEX (爆燃性空氣)命令。
[0008]已經通過專利申請GB2263658提供了一種解決方案，其建議使用水作為溶劑以及使用不同的浸潰產品，包括聚乙烯醇。它建議酒精濃度在10%的極限內，換句話說，每升水大約10克，並且認為該濃度是不被超過的極限值，因為產品然後變得太粘稠。
[0009] 申請人:想知道該極限並想知道更高濃度是否可進一步改進該情況，以及分析由此可出現的限制。
[0010]本發明的目的是提出一種比用於機械增強型芯的當前產品更好實施的產品，並且其符合關於保護員工的健康和安全以及保護環境的責任。
[0011]為此，本發明的主題是一種用於機械地增強在通過熔模鑄造的渦輪發動機部件製造中使用的陶瓷型芯的浸潰方法，包括在通過在水中溶解聚乙烯醇(PVAl)獲得的混合物中浸塗所述芯，隨後將所述芯浸沒在純水中並熱聚合反應，其特徵在於，混合比例在每升水100到200克PVAl之間。
[0012]有利地，通過浸塗的浸潰時間在20分鐘到I小時30分鐘之間。由於其相對高的粘度，長時間對於浸潰產品是必要的，以適當地滲透所述陶瓷型芯的孔。
[0013]優選地，所述聚合反應在90°C到120°C之間的溫度發生。
[0014]更優選地，所述聚合反應在30分鐘至2小時之間的時期內發生。
[0015]本發明還涉及一種通過熔模鑄造製造帶有內部空腔的渦輪發動機葉片的方法，所述方法包括生產代表所述內部空腔的陶瓷型芯的步驟，其特徵在於，它包括經由上述方法機械地增強所述芯的步驟。
[0016]在閱讀以下給出的詳細的說明性描述一本發明的實施例作為純粹說明性的和非限制性的示例給出一參考示意性附圖，將更好地理解本發明，以及其他目的，細節，特徵和優點將變得更加明顯。在這些圖中:
[0017]一圖1是給出通過用根據本發明的產品浸潰葉片芯獲得的結果的表格；
[0018]一圖2和圖3是使用根據本發明的浸潰產品和使用現有技術的產品所獲得材料的兩個物理屬性的比較圖解視圖。
[0019]圖1示出了對於聚乙烯醇(PVAl)在水中的不同濃度以及對於各種製造條件(浸潰時間和烘烤時間和溫度)，從代表渦輪發動機葉片的蠟模型芯的試樣所獲得的結果。
[0020]在酒精中選定的濃度是50g/l，100g/l和200g/l以及試樣的浸潰時間範圍從20分鐘到I小時30分鐘。同時，烘烤時間和溫度範圍分別從35分鐘到I小時30分鐘，一個示例是16小時以及從90°C到172°C。需要指出的是:
[0021]—在50g/l的濃度，20分鐘的浸潰時間以及在從90°C到120°C的溫度下烘烤35分鐘到2小時，在從14.87到20.07 MPa範圍內獲得的斷裂應力以及範圍從13.9到16.87GPa的楊氏模量。
[0022]—在100g/l的濃度，範圍從20分鐘到I小時30分鐘的浸潰時間以及在90°C到172°C之間的溫度下烘烤I到2小時，範圍從21.52到29.4 MPa的斷裂應力以及範圍從50.3到18.1lGPa的楊氏模量。
[0023]一在200g/l的濃度，範圍從30分鐘到I小時30分鐘的浸潰時間以及在120°C的溫度下烘烤I到16小時，範圍從31.5到35.79 MPa的斷裂應力以及範圍從6.67到6.53GPa的楊氏模量。
[0024]圖2和圖3分別示出了五種試樣的斷裂應力和楊氏模量:沒有浸潰的試樣，浸潰有在水中以50克/升比例的PVAl的試樣，浸潰有以100克/升比例的PVAl的試樣，浸潰有以200克/升比例的PVAl的試樣以及浸潰有根據現有技術的環氧樹脂的試樣。
[0025]為了解決所引起的問題，本發明首先提出了放棄使用現有技術的甲苯或甲醇類型稀釋劑以及用水代替它們，以除去與健康或環境保護有關的風險。為了代替現有技術的產品，已經用不同的商業產品以及這些產品在水中的不同濃度進行了一系列的測試。也已經評估了與產品的固溶熱處理有關的不同參數(濃度、攪拌、溫度)以及不同的乾燥和聚合反應參數(溫度、時間)。
[0026]總之，本發明選定聚乙烯醇作為浸潰產品，聚乙烯醇溶於水並且其粘性合與乳化性能是已知的。通過聚醋酸乙烯酯的鹼性水解(氫氧化鈉、鉀)獲得聚乙烯醇或PVAl，其化學式是-(CH2CHOH)η-。它可用作脫模劑或填料，以及因此提供了形成常規膜的益處，其可環繞模具並且在製造渦輪發動機葉片的情況下其可因此環繞蠟模型的芯。在具有塗附和粘著的成膜性能的幾個可溶性產品上進行一系列測試後最終被優選的該產品具有滲透到芯表面內孔，填充它們以及從而形成通過乾燥或通過聚合反應被固化的外殼的優點。在測試完成後，根據機械性能的所需增加，所建議的濃度為從100到200g/l。
[0027]由本發明產品提供的機械增強效果因此是雙重的:它通過除去一部分孔隙產生第一增強作用，該孔隙會減少陶瓷材料的機械性能，以及通過在芯周圍形成塗層產生第二增強作用，塗層本身具有自己的機械性能。
[0028]所建議的本發明的實施方式包括通過在加熱到80°的水中溶解PVAl來製備混合物，以加速其溶解。芯然後浸沒在混合物中，然後在蒸餾水中，以除去多餘的混合物。最後，它們在烤箱中進行聚合反應。在芯上獲得的質量增益在2%左右。
[0029]由本發明所提供的第一增益在於使用水作為溶劑，它消除了先前有機溶劑遇到的毒性問題。另一方面，該選擇意味著放棄標準樹脂並且替代地選擇如PVAl的產品，其溶於水並且其聚合反應充分地加固芯。在開發本發明的過程中遇到的困難之一在於能夠充分地集中混合物以在聚合反應後增加其機械加固的有效性，同時保持相對低的粘度以適當地浸潰芯。
[0030]用水和PVAl所獲得的結果示出了(見圖2和圖3)在材料屬性上的明顯提高，其事實上仍不如用現有技術的有機溶劑所獲得的，但對於用於製造渦輪發動機葉片的芯的方法已經足夠。因此，可以看出的是，對於大約100g/l-200g/l的混合物比例，與未處理的試樣相比，斷裂強度增強3倍(在現有技術中增強4倍)，以及楊氏模量增強2倍(在現有技術中增強4倍)。
[0031]再參見圖2和圖3時，還可以觀察到的是，通過採用超過100g/l的PVAl濃度進一步提高陶瓷型芯的機械強度。特別地，在彎曲斷裂強度內獲得的增益特別地值得，因為這些芯易碎並且很難操作。實際上，該增益被獲得到粘度的更大損害程度，其特別地高於由現有技術建議的極限值。不可否認的是，太高的粘度是有害的，因為在純水中的清洗階段更困難，該階段在浸潰之後以移除芯上的過多產品。這是因為某些表面一極端薄而易碎以及從其凹槽可能很難移出產品一不應該過度地工作。 申請人:因此觀察到，考慮到發生的風險，超過200g/l的增益不合理。
[0032]儘管更高的濃度提高了浸潰型芯的機械強度，但必須調整製造進度以考慮粘度。產品必須保持與芯接觸更長時間以有時間深入地滲透到芯的表面以下，從而適當地填充孔。與現有技術中大約5分鐘的極短時間相比，浸潰時間因此必須增加到不少於30分鐘的值。
[0033]簡而言之， 申請人:已經反對將最大允許濃度確定到10g/l的現有技術教導，並觀察到可能進一步提高芯的機械強度，假設對製造進度進行調整的話。
【權利要求】
1.一種浸潰方法，用於機械地增強在經由熔模鑄造的渦輪發動機部件製造中使用的陶瓷型芯，其包括在通過在水中溶解聚乙烯醇(PVAl)獲得的混合物中浸塗所述芯，隨後將所述芯浸沒在純水中並熱聚合反應，其特徵在於，混合比例在每升水100到200克PVAl之間。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，通過浸塗的浸潰時間在20分鐘到I小時30分鐘之間。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述聚合反應發生的溫度為90°C到120°C之間。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述聚合反應持續的時間為30分鐘至2小時之間。
5.通過熔模鑄造製造帶有內部空腔的渦輪發動機葉片的方法，所述方法包括生產代表所述內部空腔的陶瓷型芯的步驟，其特徵在於，它包括經由根據權利要求1到4任一所述的方法機械地增強所述芯的步驟。
【文檔編號】B22C3/00GK104185517SQ201380014369
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年3月12日 優先權日:2012年3月16日
【發明者】尚塔爾·蘭洛伊斯 申請人:斯奈克瑪