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发布日期：[2005-10-28]
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硅溶胶壳型工艺的研究
张继东搜集整理
前 言 811A氧化铝壳型是一种供生产定向凝固空心无余量叶片的高温壳型。它从1985年以来被应用于某航空发动机高压 级涡轮叶片的试制和小批量生产上,该种壳型壁薄、耐高温,使用温度可达1600℃。但是这种壳型在叶片试制中也暴露出一些问题,如壳型漏钢、叶片表面掉皮夹砂等缺陷,严重影响了叶片的合格率,造成很大的经济损失。仅壳型漏钢这一项,就使叶片报废率达15%左右,掉皮夹砂严重时,叶片报废率高达30%。虽然近几年在壳型工艺和浇注工艺上做了一些改进,但对消除缺陷没有取得根本性的突破,因而本文对该叶片生产中出现的问题进行了分析,提出了改进措施。
具体工作包括:(1)从壳型方面分析缺陷如漏钢、掉皮夹砂等的产生原因。(2)提出相应的改进措施。2壳型制备过程中所用的原材料
1.壳型制备过程中所用的原材料壳型制备的工艺路线如下:图1制壳工艺路线成壳焙烧940℃×2h脱蜡(水煮)氨气干燥打磨加固涂挂、撒砂(7层砂子,6层半涂料)涂料配制(比重、粘度、涂挂性、渗透性测定)表1 硅溶胶的主要组成及性能SiO2%Na2O%比重g/cm3pH值粘度厘泊粒nm外观存放性英国硅溶胶28.870.291.2029.83.7013～14清亮非常稳定国产硅溶胶30≤0.31.29≤810～20乳白稳定
2.原材料壳型粘结剂:811A壳型于1990年首次使用英国孟山都铸造硅溶胶。该硅溶胶与国产硅溶胶的组成及性能比较见表1。从表中可以看出,二者性能相近。 粉料:涂料所用的粉料是粒度为W20的白刚玉粉。另外,各层砂子采用不同粒度的白刚玉砂。3缺陷分析与工艺改进 1.壳型漏钢壳型漏钢(简称漏钢)是壳型在浇注过程中金属液沿壳型产生的裂缝渗出,漏钢严重时会使叶片成为废品。壳型漏钢的位置经常出现在两个地方,一个是叶尖起始端的棱角处,另一个位置是在内浇道处。壳型漏钢是由壳型开裂造成的。首先,由于采用定向凝固工艺,壳型要在不到半小时内从室温加热到1500℃以上,并且壳型中的高温金属液要经过30分钟才完全凝固,这种使用场合决定了壳型在预热及浇注过程中将受到严重的热冲击和金属液静压力的作用。其次,从壳型漏钢位置来看,蜡模具有棱角及过渡不圆滑的部位,在加热和浇注过程中壳型易在该处产生较大的应力集中。第三,从蜡模涂挂来看,两处易漏钢所示部位砂子和涂料不易均匀附着,壳型制备好后,这些部位壳型厚度较小,强度较低。由于上述三种因素的综合作用,在浇注过程中,壳型薄弱处抵抗不住热冲击和金属液静压力,从而 导致壳型开裂漏钢。基于上述原因,必须对这两处的模组结构进行改进,即在制作蜡模时将棱角部位尽可能圆滑过渡,将内浇道与直浇道连接处改为光滑的圆弧过渡。改进后的蜡模结构如图2所示.
进以后,既消除了热应力集中,又可使涂料和砂子均匀附着,增加了壳型的厚度,从而大大降低了壳型的漏钢率。此外,壳型在制备过程中也会产生裂纹,但只要合理地控制制壳的工艺,如选择合适的涂料比重、粘度、采用适当的壳型干燥温度、时间及焙烧温度等等,就可以完全避免壳型的开裂。图2 改进后的蜡模结构 2.叶片表面掉皮夹砂缺陷叶片表面掉皮夹砂缺陷是壳型内表面涂层局部剥离或脱落或膨胀所造成的。当金属液浇注后,脱落的砂粒或涂层片就被裹在铸件表面,从而形成掉皮夹砂缺陷(大面积的为掉皮,小孔洞为夹砂)。表2为几批叶片表面掉皮夹砂缺陷的统计。为了证明掉皮夹砂的成因,曾剖开了几组焙烧后的壳型,发现其中几片内表面确有孔洞和脱皮现象,这样的壳型浇注后就会形成掉皮夹砂缺陷。表2 几批叶片表面掉皮夹砂缺陷统计批 号组 数叶片总数掉皮夹砂掉皮率,%031145635.4051145623.6131166434.7151187222.8 叶片表面掉皮夹砂主要与壳型的干燥程度、涂料的粘度、渗透性以及涂料内部气泡数量有关。首先是壳型的干燥。如果壳型未干透,壳型的面层与加固层之间的结合强度就很低,壳型在脱蜡及其他操作过程中,很容易出现起皮、掉砂现象。为了使壳型充分干燥,应采取以下措施:(1)通过调温调湿设备及其他手段使模壳干燥温度、湿度保持在一个合适的范围内,尤其应避免在高温高湿条件下(如多雨天气)操作。在热风强制对流情况下,应调节好风速和风向,周期性地转动和调换模组位置,以使每个壳型的各个部分都能充分且均匀地干燥。(2)针对硅溶胶粘结剂干燥时间长的特点,适当延长每层涂料的干燥时间,特别是面层,使其充分干燥。表3为延长时间后各层涂料干燥时间。表3 延长时间后各层涂料干燥时间层次层名干燥时间,h干燥方式1面层5～6自干2面层18自干加风干3加固层2热风干燥4～7加固层2～3热风干燥 (3)在壳型干燥过程中监测每一层的干燥情况,如利用称重法、电阻测量法等,直到壳型充分干燥后再涂下一层。从电阻测量法的统计情况来看,每一层电阻值达到15MΩ后就可以认为壳型已干燥充分了,此时壳型的含水量在10%以下。其次是涂料方面的因素。面层涂料粘度过大或过小都会影响叶片的表面质量。当涂料粘度在合适的范围内时,蜡模涂挂时可形成均匀的涂层,这样的壳层在规定的干燥时间内可以充分干燥,不起皮剥落。为了增加涂料层与蜡模的润湿性及面层与加固层的结合强度,减少涂料中的气泡数量,在配制涂料时必须使渗透和消泡剂在涂料中充分散开,为此将涂料配制工艺进行了调整。在一开始搅拌时就加入渗透剂、消泡剂,并适当增加入量、延长搅拌时间。实践证明,这样改进后,提高了涂料的渗透性、润湿性和涂挂性,对涂层干燥时起皮掉砂有很好的抑制作用。通过对壳型制备工艺的改进,叶片表面质量已有显著的提高,叶片表面掉皮夹砂缺陷大大减少,基本控制在2%左右。
4结 论
(1)通过模组结构的改进和制壳工艺参数的控制,基本消除了壳型漏钢缺陷。(2)叶片表面掉皮夹砂主要与壳型的干燥程度和涂料的粘度、渗透性及涂料中的气泡数量有关,通过提高壳型干燥程度及改进涂料配制工艺,可基本消除叶片表面掉皮夹砂缺陷。(3)根据生产验证,总结出了壳型制备的最佳工艺参数。 |
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