本申請涉及航空發(fā)動機渦輪葉片鑄造，具體涉及一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法。

背景技術(shù)：

1、渦輪葉片是燃氣渦輪發(fā)動機中渦輪段的重要組成部件。高速旋轉(zhuǎn)的葉片負責(zé)將高溫高壓的氣流吸入燃燒器，以維持引擎的工作。

2、目前帶氣膜孔的空心渦輪葉片主要是通過鑄造的方式進行制造，渦輪葉片的鑄型包括型芯和型殼，將制造空心渦輪葉片的金屬液體澆注，冷卻固化后去除型芯和型殼得到空心渦輪葉片。再對空心渦輪葉片的表面進行激光/電火花打孔，導(dǎo)致孔壁微裂紋，降低高溫疲勞壽命，影響氣膜冷卻效果。同時使用激光/電火花加工孔徑誤差±20μm，誤差較大，無法滿足氣膜孔的精度要求；同時打孔效率低，加工周期長，增加了制造成本。

3、cn112916811b帶氣膜孔的空心渦輪葉片的鑄造方法公開了在鑄造的過程中直接形成氣膜孔，氣膜孔的孔壁組分與空心渦輪葉片的主體部分組分相一致，其在燃氣渦輪發(fā)動機工作的過程中，容易產(chǎn)生孔壁微裂紋現(xiàn)象，影響氣膜冷卻效果。

4、基于此，提出一種一體化鑄造具有氣膜孔并提高其性能的空心渦輪葉片。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，無需后續(xù)加工氣膜孔，提高氣膜孔精度及葉片的性能，解決了現(xiàn)有技術(shù)中提出的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了以下方案：

3、一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，包括以下步驟：

4、s1，制備梯度陶瓷型芯：所述型芯包括氧化鋁基主體層和硅酸鋯與氧化釔組成的犧牲柱，所述犧牲柱的表面通過納米壓印技術(shù)預(yù)置負型孔；

5、s2，將所述梯度陶瓷型芯嵌入蠟?zāi)?nèi)并涂覆多層陶瓷，脫蠟和預(yù)燒后得到鑄造型殼；

6、s3，在鑄造型殼和梯度陶瓷型芯之間澆注鎳基單晶高溫合金，在定向凝固階段通過熱激活對犧牲柱蝕刻，同步生產(chǎn)氣膜孔及位于氣膜孔孔壁的自修復(fù)層；

7、s4，將梯度陶瓷和空心渦輪葉片經(jīng)化學(xué)蝕刻和后處理，得到具有氣膜孔的空心渦輪葉片。

8、進一步地，按重量百分比計，所述氧化鋁基主體層由80~85wt%氧化鋁、7~13%氧化鋯、2~8wt%硅溶膠組成，混合形成主體層漿料，將主體層漿料注入光固化3d打印機，得到主體層胚體。

9、進一步地，所述犧牲柱由90~95wt%硅酸鋯、3~8wt%氧化釔、2~5wt%納米碳化硅組成，混合形成犧牲柱漿料；將所述犧牲柱漿料旋涂于主體層胚體向外凸出的榫頭并經(jīng)納米壓印技術(shù)，再經(jīng)熱固化、uv固化后得到型芯胚體。

10、進一步地，所述犧牲柱的底端設(shè)置與榫頭相適配的榫槽。

11、進一步地，所述負型孔的兩端處于兩個平行面且其中一端的表面與鑄造型殼的內(nèi)壁相互接觸。

12、進一步地，納米壓印時，壓印模板為表面刻蝕孔陣列的單晶硅或鎳基合金，壓印壓力5-10mpa，真空度≤10?3?pa，保壓時間3~5分鐘。

13、進一步地，步驟s2中，所述鑄造型殼設(shè)置多個排氣微通道，所述排氣微通道的入口和出口分別位于鑄造型殼的內(nèi)壁與外壁；

14、所述排氣微通道入口的孔徑為20μm；所述排氣微通道的孔徑為50μm。

15、進一步地，步驟s3中，所述定向凝固的工藝參數(shù)為：溫度梯度≥100℃/cm，抽拉速率2~5mm/min；熔融合金為含2.5~3.5wt%鋁的鎳基單晶高溫合金，澆注過熱度δt=100-150℃。

16、進一步地，所述熱激活包括：犧牲柱中的硅酸鋯與鎳基單晶高溫合金中的鋁反應(yīng)生成氣態(tài)sio2和固態(tài)zral3/al2o3骨架；氧化釔與鋁反應(yīng)生成yalo3自修復(fù)氧化層。

17、進一步地，步驟s4中，所述化學(xué)蝕刻包括以下步驟：

18、s41，氫氟酸蒸汽蝕刻：質(zhì)量百分比20~30%，溫度80℃，時間小于4h；

19、s41，鹽酸超聲清洗：摩爾質(zhì)量3~5mol/l，超聲頻率40khz，時間1~2h；

20、所述后處理包括以下步驟：

21、s42，硝酸鈍化處理：質(zhì)量百分比為30%，溫度50℃，時間10min；

22、s43，真空退火：真空度≤10?3?pa，以5℃/min的速率升溫至1000℃，保溫2h；以3℃/min的速率降溫至室溫。

23、本發(fā)明的有益效果為：

24、本發(fā)明通過基于氧化鋁基主體層和硅酸鋯與氧化釔組成的犧牲柱形成的型芯，二者之間采用榫卯結(jié)構(gòu)進行連接、納米壓印形成負型孔、梯度燒結(jié)處理、型殼設(shè)置的排氣微通道，注澆過程中同步生產(chǎn)氣膜孔及位于氣膜孔孔壁的自修復(fù)層，并使用化學(xué)蝕刻和后處理，使最終制備空心渦輪葉片中具有高精度氣膜孔，高效冷卻，界面結(jié)合強度≥25mpa，熱循環(huán)壽命提升5倍，加工周期縮短，同時孔壁內(nèi)yalo3自修復(fù)氧化層下實現(xiàn)孔壁微裂紋的修復(fù)，延長使用壽命。

技術(shù)特征：

1.一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，按重量百分比計，所述氧化鋁基主體層由80~85wt%氧化鋁、7~13%氧化鋯、2~8wt%硅溶膠組成，混合形成主體層漿料，將主體層漿料注入光固化3d打印機，得到主體層胚體。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，所述犧牲柱由90~95wt%硅酸鋯、3~8wt%氧化釔、2~5wt%納米碳化硅組成，混合形成犧牲柱漿料；將所述犧牲柱漿料旋涂于主體層胚體向外凸出的榫頭并經(jīng)納米壓印技術(shù)，再經(jīng)熱固化、uv固化后得到型芯胚體。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，所述犧牲柱的底端設(shè)置與榫頭相適配的榫槽。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，所述負型孔的兩端處于兩個平行面且其中一端的表面與鑄造型殼的內(nèi)壁相互接觸。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，納米壓印時，壓印模板為表面刻蝕孔陣列的單晶硅或鎳基合金，壓印壓力5-10mpa，真空度≤10?3?pa，保壓時間3~5分鐘。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，步驟s2中，所述鑄造型殼設(shè)置多個排氣微通道，所述排氣微通道的入口和出口分別位于鑄造型殼的內(nèi)壁與外壁；

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，步驟s3中，所述定向凝固的工藝參數(shù)為：溫度梯度≥100℃/cm，抽拉速率2~5mm/min；熔融合金為含2.5~3.5wt%鋁的鎳基單晶高溫合金，澆注過熱度δt=100-150℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，所述熱激活包括：犧牲柱中的硅酸鋯與鎳基單晶高溫合金中的鋁反應(yīng)生成氣態(tài)sio2和固態(tài)zral3/al2o3骨架；氧化釔與鋁反應(yīng)生成yalo3自修復(fù)氧化層。

10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，其特征在于，步驟s4中，所述化學(xué)蝕刻包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及航空發(fā)動機渦輪葉片鑄造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有氣膜孔的空心渦輪葉片一體化鑄造方法，通過基于氧化鋁基主體層和硅酸鋯與氧化釔組成的犧牲柱形成的型芯，二者之間采用榫卯結(jié)構(gòu)進行連接、納米壓印形成負型孔、梯度燒結(jié)處理、型殼設(shè)置的排氣微通道，注澆過程中同步生產(chǎn)氣膜孔及位于氣膜孔孔壁的自修復(fù)層，并使用化學(xué)蝕刻和后處理，使最終制備空心渦輪葉片中具有高精度氣膜，高冷卻效果和界面結(jié)合強度、熱循環(huán)壽命，加工周期縮短，可進行孔壁裂紋的自修復(fù)。

技術(shù)研發(fā)人員：宋揚,王遠斌,王勇,吳建新,李小政,李海軍
受保護的技術(shù)使用者：成都航宇超合金技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8