一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，屬于航空發動機空心渦輪葉片制造裝備領域，包括加壓釜組件、緩沖釜組件及控制器，加壓釜組件和緩沖釜組件中均設有加熱裝置，加壓釜組件和緩沖釜組件通過對流通道相連，對流通道上設有閥門，加壓釜組件和緩沖釜組件的溫度、加熱裝置的功率及閥門的通斷均由控制器控制。該脫除裝置結構設計合理，使用簡便，能夠有效解決空心渦輪葉片鋁基金屬葉身中殘留陶瓷型芯難以脫除的問題，可以廣泛運用于空心渦輪葉片的制造領域。
【專利說明】
一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置
技術領域
[0001]本發明屬于航空發動機空心渦輪葉片制造裝備領域，具體涉及一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置。【背景技術】
[0002]氧化鋁基的型芯的基體材料是熔融剛玉，有耐火度極高、化學穩定性極好、熱穩定性極高等特點，同時以氧化鋁為基體的基陶瓷型芯可以制造單晶定向葉片，單晶定向葉片可以顯著提高發動機的性能，這種先天優勢決定了其能很好的保證型芯的性能。但事物都有其兩面性，這些優點同時也是其缺點一很難從型芯中脫除，對于形狀復雜，特別是具有細小通道結構的型芯更顯得尤為突出。
[0003]氧化鋁陶瓷型芯澆鑄的空心渦輪葉片型腔通道彎曲復雜，葉片排氣通道中的反應殘渣難以被徹底脫除，致使制造的葉片性能較差，不能使發動機的冷卻系統正常工作，嚴重影響發動機的各項性能。利用目前的脫除工藝很難將氧化鋁陶瓷型芯快速脫除，難以滿足工業生產的需求。因此，航空發動機現階段的重點、難點在于如何高效率的脫除氧化鋁陶瓷型芯。在目前的常規工藝中，很難解決氧化鋁陶瓷型芯完整的脫除。
[0004]飛機發動機葉片氧化鋁陶瓷型芯脫除還處在研究當中，渦輪葉片型芯的脫除無法達到工業生產的標準，為了追求更先進的飛機發動機性能，當務之急是如何快速脫除氧化鋁陶瓷型芯。為了實現發動機性能的大幅度提高，渦輪葉片的陶瓷型芯脫除技術成為關鍵。 氧化鋁陶瓷自身較難高效的從型腔中完全脫除，尤其是對于型腔復雜、通道細小的葉片更是如此，基于此背景，脫芯設備的研發和設計也成為脫芯的重點。
[0005]在現有的研究中，美國聯合技術公司采用高溫高壓的堿溶液射流沖擊溶解陶瓷型芯，堿溶液周期性地噴出沖擊并溶解陶瓷型芯，射流的脈沖時間間隔為1?l〇s。脫芯過程中周期性地噴射堿溶液和壓縮空氣，達到快速脫芯的目的。英國R〇 11 S-Royce公司，改變脫芯體系的壓力，使堿液快速滲入型芯內部，提高腐蝕反應速率，同時在脫芯液中添加活性劑 (NaCl或KC1)，可提高脫芯效率。西北工業大學王寶生等采用的脫芯方法主要包括正負循環打壓和沸水煮芯兩個步驟。美國General Electric公司，在脫芯液中添加表面活性劑，在高溫高壓條件下，使脫芯液近乎為超臨界流體狀態，從而脫出氧化鋁基陶瓷型芯。美國Howmet 公司利用壓縮空氣將鑄件中的反應產物吹除，使陶瓷型芯新斷面暴露出來，采用熔融堿或堿的水溶液為脫芯液，添加海綿鈦作為消氧劑，脫出氧化鋁基陶瓷型芯。上述現有技術在去除陶瓷型芯的陶瓷型芯過程中對環境的隔離性要求高，需要通過氣體和液體壓力對陶瓷型芯內部進行沖擊，設備要求性高，但處理效率低。
[0006]然而，利用對流原理脫芯的設備還沒有出現。
【發明內容】

[0007]本發明的目的在于提供一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，該脫除裝置結構設計合理，使用簡便，能夠有效脫除渦輪葉片的型芯。
[0008]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0009]一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，包括加壓釜組件、 緩沖釜組件及控制器，加壓釜組件和緩沖釜組件中均設有加熱裝置，加壓釜組件和緩沖釜組件通過對流通道相連，對流通道上設有閥門，加壓釜組件和緩沖釜組件的溫度、加熱裝置的功率及閥門的通斷均由控制器控制。
[0010]加壓釜組件包括加壓釜釜體及加壓釜端蓋，緩沖釜組件包括緩沖釜釜體及緩沖釜端蓋，在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上均設有壓力表和溫度計，溫度計能夠伸入釜體中。 [〇〇11] 在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上均設有爆破閥和泄壓閥。
[0012]加壓釜組件和緩沖釜組件外均設有支架，支架由頂端支架板、底板以及四周的導軌組成，加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋分別固定在各自支架的導軌上，在頂端支架板上設有用于控制端蓋升降的升降電機。
[0013]在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上設有凹槽，在加壓釜釜體和緩沖釜釜體上設有凸槽，凹槽與凸槽相配合并通過螺栓螺母壓制密封。
[0014]加壓爸端蓋和緩沖爸端蓋中均設有水循環冷卻通道。
[0015]加壓釜組件和緩沖釜組件的高壓范圍為25?30MPa，耐高溫范圍為400?500 °C。 [〇〇16] 加壓釜組件和緩沖釜組件均為密閉容器，尺寸范圍為:直徑為280?600mm;高度為 300?600mm〇[〇〇17]所述加熱裝置為加熱電阻。
[0018]在加壓釜組件、緩沖釜組件及控制器外部還設有外殼。
[0019]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0020]本發明公開的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，基于對流換熱的原理，裝置包括加壓釜組件和緩沖釜組件，加壓釜組件和緩沖釜組件通過對流通道相連，對流通道上設有閥門，加壓釜和緩沖釜由閥門分隔成兩個獨立的系統，并通過閥門實現通斷。加壓釜和緩沖釜內充滿浸出液，加壓釜的浸出液與脫芯葉片接觸，促進渦輪葉片型芯脫除，緩沖釜輔助加壓釜產生對流換熱效應。加壓釜和緩沖釜通過對流通道連通，在升溫加壓過程中加壓釜溫度升高，緩沖釜溫度保持不變，加壓過程中連接通道閥門閉合。當壓力達到指定壓力時， 通過閥門的通斷來實現內部氣體的對流換熱，兩個釜內液體內部氣體壓力交互變換，脫芯液沸點變化，發生沸騰。同時，裝置還設有控制器，閥門通斷由控制器進行控制，并由溫度對控制器進行反饋控制，在加熱加壓過程中加壓釜和緩沖釜中的實時溫度、設定溫度和加熱裝置的功率的設定均由控制器控制和顯示。此外，加壓釜在加熱之前進行預加壓，輔助加壓釜增加內部壓力，預加壓后，對加壓釜進行加熱，加壓釜加熱溫度升高，緩沖釜保持不變，導致加壓釜和緩沖釜存在壓力差，在加壓釜溫度達到設定溫度時，通過控制器設置指定時間間隔控制閥門打開，兩個釜內液體上方的氣體對流換熱，內部壓力發生變化，液體的沸點降低，液體攪拌翻騰。該脫除裝置結構設計合理，使用簡便，能夠有效脫除渦輪葉片的型芯。
[0021]進一步地，加壓釜和緩沖釜內的壓力由壓力表適時測量，溫度由溫度計測量，壓力表和溫度表測量的結果能夠反饋至控制器。在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上均設有爆破閥和泄壓閥，加壓釜和緩沖釜的對流換熱每一次發生，并且壓力平衡后，閥門自動關閉，并且在控制器的作用下，通過泄壓閥進行自動泄壓、冷卻，調節釜內部壓力和溫度。加壓釜和緩沖釜的內部壓力超過設置的設備額定壓力時，加壓釜和緩沖釜通過爆破閥釋放壓力，保證安全。
[0022]進一步地，加壓釜組件和緩沖釜組件外均設有支架，支架由頂端支架板、底板以及四周的滑軌組成，加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋分別固定在各自支架的滑軌上，在頂端支架板內設有用于控制端蓋升降的升降電機，端蓋通過升降電機帶動上升下降，升降電機通過控制器控制升降。
[0023]進一步地，加壓釜和緩沖釜的端蓋和釜體之間通過機械壓制密封，端蓋上加工凹槽，釜體上加工凸槽。采用螺母螺栓壓制，端蓋通過螺栓、螺母與釜體連接，實現高溫高壓下的氣密性密封，確保脫芯釜足夠的耐壓能力。
[0024]進一步地，加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋中均設有水循環冷卻通道，當溫度達到溫度最高時，通過通入水循環實現水冷，加快裝置冷卻速度，便于端蓋和爸體分離。【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的脫芯裝置的結構主視圖；
[0026]圖2為本發明的脫芯裝置內部結構圖；[〇〇27]圖3為本發明的脫芯裝置使用原理示意圖；[〇〇28]圖4為空心渦輪葉片示意圖。[〇〇29] 其中，1.加壓釜組件；2.加壓釜釜體;3.加壓釜端蓋;4.升降電機;5.壓力表;6.閥門；7.對流通道;8.控制器;9.溫度計；10.緩沖釜釜體；11.外殼；12.緩沖釜組件；13.導軌； 14.頂端支架板;15.升降槽;16.螺栓；17.陶瓷型芯；18.金屬葉身；19.加熱電阻;20.待處理的空心渦輪葉片;21.加壓釜中浸出液;22.緩沖釜中浸出液;23.爆破閥；24.泄壓閥；25.水循環冷卻通道。【具體實施方式】
[0030]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0031]本發明提供了一種金屬空心渦輪葉片陶瓷型芯脫除的裝置，在高溫高壓條件下， 采用化學腐蝕法脫除型芯，化學腐蝕法是利用化學物質與陶瓷型芯發生化學反應使型芯溶解而去除，化學腐蝕法的外界條件是通過脫芯釜制造高溫高壓環境形成的，脫芯釜能夠產生對流效果，引起腐蝕液沸騰，從而加快脫芯速度。該裝置由加壓釜和緩沖釜兩個釜組成， 釜內部形成一個封閉的系統。加壓釜和緩沖釜內充滿浸出液，加壓釜的浸出液與脫芯葉片接觸，促進渦輪葉片型芯脫除，緩沖釜輔助加壓釜產生對流效應。
[0032]加壓釜和緩沖釜通過對流通道連接，通過閥門實現通斷，實現內部液體的對流效果，開始加熱時加壓釜和緩沖釜溫度和壓力相同，關閉閥門。加壓釜加熱溫度升高，緩沖釜保持不變，導致加壓釜和緩沖釜存在壓力差，在加壓釜溫度達到設定溫度時，通過控制器設置指定時間間隔控制閥門打開，兩個釜內液體溫度對流互換，內部壓力發生變化，液體攪拌翻騰。[〇〇33]參見圖1?3,本發明的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置， 包括加壓釜組件1、緩沖釜組件12及控制器8,加壓釜組件1和緩沖釜組件12中均設有加熱裝置，加壓釜組件1和緩沖釜組件12通過對流通道7相連，對流通道7上設有閥門6,加壓釜組件1和緩沖釜組件12的溫度、加熱裝置的功率及閥門6的通斷均由控制器8控制。加壓釜組件1 包括加壓釜釜體2及加壓釜端蓋3,緩沖釜組件12包括緩沖釜釜體10及緩沖釜端蓋，在加壓釜端蓋3和緩沖釜端蓋上均設有壓力表5和溫度計9,溫度計9能夠伸入釜體中。在加壓釜端蓋3和緩沖釜端蓋上均設有爆破閥23和泄壓閥24,加壓釜和緩沖釜的對流換熱每一次發生， 并且壓力平衡后，閥門自動關閉，并且在控制器的作用下，通過泄壓閥進行自動泄壓、冷卻， 調節釜內部壓力和溫度。泄壓閥24用于設備降壓降溫，當溫度和壓力降低到一定的范圍內， 開啟泄壓閥24平衡釜內外氣壓，便于釜體開啟。釜內的壓力通過壓力表進行實時測量，脫芯裝置內部壓力超過額定壓力時，爆破閥23打開泄壓，保證釜內部壓力安全。加壓釜和緩沖釜的內部壓力超過設置的設備額定壓力時，加壓釜和緩沖釜通過爆破閥釋放壓力，保證安全。 控制器8的作用是設定釜內部最高溫度和加熱裝置的加熱功率，并實時檢測脫芯裝置內部溫度和壓力，同時控制電機的開關。[〇〇34]加壓釜組件1和緩沖釜組件12外均設有支架，支架由頂端支架板14、底板以及四周的導軌13組成，加壓釜端蓋3和緩沖釜端蓋分別固定在各自支架的導軌13上，在頂端支架板 14上設有用于控制端蓋升降的升降電機4。端蓋上還設有升降槽15,升降電機4與升降槽15 通過電機鋼絲豎直連接，升降電機4帶動鋼絲實現端蓋的升降。在加壓釜端蓋3和緩沖釜端蓋上設有凹槽，在加壓釜釜體2和緩沖釜釜體10上設有凸槽，凹槽與凸槽相配合并通過螺栓 16及螺母壓制密封，采用螺母螺栓壓制，端蓋通過螺栓、螺母與釜體連接，實現高溫高壓下的氣密性密封，確保脫芯釜足夠的耐壓能力。加壓釜端蓋3和緩沖釜端蓋中均設有水循環冷卻通道25，當溫度達到溫度最高時，通過通入水循環實現水冷，加快裝置冷卻速度，便于端蓋和爸體分離。[〇〇35] 優選地，加壓釜組件1和緩沖釜組件12的高壓范圍為25?30MPa，耐高溫范圍為400 ?500°C。加壓釜組件1和緩沖釜組件12均為密閉容器，尺寸范圍為:直徑為280?600mm;高度為300?600mm。所述加熱裝置為加熱電阻19,在加壓釜組件1、緩沖釜組件12及控制器8外部還設有外殼11。
[0036]參見圖4,為空心渦輪葉片的結構示意圖，未脫除陶瓷型芯的空心渦輪葉片由外部金屬葉身18和內部陶瓷型芯17組成。脫芯裝置中填充的脫芯液由堿性溶液(K0H或者NaOH) 組成，濃度范圍為50 %-80 %。[〇〇37]本發明的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，在使用時: [〇〇38] 實驗中，脫芯裝置最高壓力范圍為25MPa_30MPa，耐高溫范圍為400-500°C，通過控制器設定最高溫度為450 °C。
[0039]在實驗開始時，關閉閥門6,在加壓釜釜體2中加入質量分數70%的加壓釜浸出液 21，加壓釜浸出液21占加壓釜體積比例為80 %-90 %;在緩沖釜釜體10中加入質量分數為 70%的緩沖釜浸出液22，緩沖釜浸出液22占緩沖釜體積比例為70%-80%，將待處理的空心渦輪葉片20放入加壓釜釜體2中，使葉片完全浸泡在加壓釜浸出液21中。將加壓釜端蓋3蓋緊，通過螺栓螺母固定緊。
[0040]通過加壓栗對加壓釜組件1進行預沖壓，壓力達到3MPa停止。在控制器8上設定最高溫度為450°C，對加壓釜組件1加熱，設定閥門6作用最低溫度為280°C閥門，當加壓釜組件 1溫度達到280°C，閥門6通過控制器8打開，加壓釜組件1和緩沖釜組件12存在壓力差，瞬間產生對流換熱，加壓釜組件1上方壓力變小，沸點降低，溶液沸騰，液體不斷攪拌翻騰，沖擊陶瓷型芯，加快型芯的脫除速率。當兩個釜體壓力平衡，閥門6關閉。加壓釜持續進行加熱， 壓力不斷升高；緩沖釜通過泄壓閥24,釋放壓力，降低溫度;通過控制器8設定30min閥門開通一次，循環上述操作。
[0041]加壓釜組件1的壓力達到設定最高溫度時，緩沖釜組件12停止加熱，水循環冷卻通道25通水進行自然冷卻。加壓釜組件1的溫度達到低于最高溫度時，控制器8發揮作用，閥門 6通過控制器8控制打開，加壓釜和緩沖釜存在壓力差，產生對流效應，加壓釜上方氣體壓力變小，沸點降低，溶液沸騰，沖擊陶瓷型芯。加壓釜和緩沖釜相互作用，循環往復上述操作。
[0042]閥門6通斷由控制器8控制。釜內溫度對于控制器8有反饋作用，在加熱加壓過程中加壓釜和緩沖釜中的實時溫度、設定溫度和加熱裝置的功率設定由控制器8控制和顯示。加熱時端蓋和釜體由螺栓16、螺母緊固，控制器8控制加熱電阻19加熱，同時溫度的上升導致壓力的上升，壓力表5測量加壓釜和緩沖釜內的壓力。[〇〇43] 泄壓閥24用于設備降壓降溫，當溫度和壓力降低到一定的溫度和壓力時，開啟泄壓閥24平衡加壓釜和緩沖釜內外氣壓，便于加壓釜和緩沖釜的開啟。加壓釜和緩沖釜內的壓力通過壓力表5進行測量，實時檢測加壓釜和緩沖釜內的壓力，加壓釜和緩沖釜內部壓力超過額定壓力時，爆破閥23打開泄壓，保證加壓釜和緩沖釜內部壓力安全。
[0044]綜上所述，本發明公開了一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，該裝置主要采用對流換熱的基本原理，在高溫高壓條件下，制造加壓釜和緩沖釜的壓力差，閥門打開時，加壓釜和緩沖釜之間實現熱量對流變換，從而使加壓釜上方壓力降低， 浸出液(脫芯液)沸點降低，脫芯液劇烈暴沸，沖擊葉片陶瓷型芯，加快脫芯速率，增加脫芯效果。本發明能夠有效解決空心渦輪葉片鋁基金屬葉身中殘留陶瓷型芯難以脫除的問題， 可以廣泛運用于空心渦輪葉片的制造領域。
【主權項】
1.一種基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其特征在于，包括加 壓釜組件(1)、緩沖釜組件(12)及控制器(8)，加壓釜組件(1)和緩沖釜組件(12)中均設有加 熱裝置，加壓釜組件(1)和緩沖釜組件(12)通過對流通道(7)相連，對流通道(7)上設有閥門 (6)，加壓釜組件(1)和緩沖釜組件(12)的溫度、加熱裝置的功率及閥門(6)的通斷均由控制 器(8)控制。2.根據權利要求1所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，加壓釜組件(1)包括加壓釜釜體(2)及加壓釜端蓋(3)，緩沖釜組件(12)包括緩沖 釜釜體(10)及緩沖釜端蓋，在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上均設有壓力表和溫度計，溫度計 能夠伸入釜體中。3.根據權利要求2所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上均設有爆破閥(23)和泄壓閥(24)。4.根據權利要求2所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，加壓釜組件(1)和緩沖釜組件(12)外均設有支架，支架由頂端支架板、底板以及 四周的導軌(13)組成，加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋分別固定在各自支架的導軌(13)上，在頂 端支架板上設有用于控制端蓋升降的升降電機(4)。5.根據權利要求2所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，在加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋上設有凹槽，在加壓釜釜體和緩沖釜釜體上設有凸 槽，凹槽與凸槽相配合并通過螺栓螺母壓制密封。6.根據權利要求2所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，加壓釜端蓋和緩沖釜端蓋中均設有水循環冷卻通道(25)。7.根據權利要求1所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，加壓釜組件(1)和緩沖釜組件(12)的高壓范圍為25?30MPa，耐高溫范圍為400? 500。。。8.根據權利要求1所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，加壓釜組件(1)和緩沖釜組件(12)均為密閉容器，尺寸范圍為:直徑為280? 600mm;高度為300 ?600mm。9.根據權利要求1所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，所述加熱裝置為加熱電阻(19)。10.根據權利要求1所述的基于對流換熱原理的空心渦輪葉片陶瓷型芯的脫除裝置，其 特征在于，在加壓釜組件(1)、緩沖釜組件(12)及控制器(8)外部還設有外殼(11)。
【文檔編號】B22C9/10GK105964937SQ201610367155
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】魯中良, 萬偉艦, 李滌塵, 苗愷, 陳義, 張航
【申請人】西安交通大學