一種陶瓷轉子類零件制造工藝方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陶瓷轉子類零件制造工藝方法，特別涉及一種具有復雜葉型、葉片數量多且葉片結構較薄、材料具有較高硬度和較低斷裂韌性的耐高溫陶瓷材料轉子零件制造工藝方法。
【背景技術】
[0002]轉子是燃氣輪機、航天飛行器發動機上關鍵部件，其傳統制造材料為不銹鋼、鈦合金、高溫合金等金屬材料。隨著發動機性能要求的提高，金屬材料密度大、轉子動部平衡量高、耐高溫性能差、氣蝕現象嚴重等問題越來越突出。耐高溫陶瓷材料在高溫環境下可以具有較高的強度和硬度，同時又具有低質量、耐腐蝕、耐摩損、隨溫度變化不敏感等特性。由于良好的物理性能和化學性能，成為轉子研制的理想材料，陶瓷轉子制造也成為許多企業和機構研究的重點。由于耐高溫陶瓷材料具有較高的硬度和較低的斷裂韌性值，同時轉子零件葉片數量多、葉型結構復雜、葉片結構較薄，采用傳統磨削加工工藝制造陶瓷轉子，其加工效率低、加工表面完整性差、加工成本高等問題非常突出；同時，加工過程中易出現崩裂，廢品率高，限制了陶瓷轉子工程化應用。目前對于新型陶瓷轉子制造工藝方法鮮有報道。
[0003]經過現有技術的文獻檢索發現，國內外對復雜葉型結構陶瓷零部件制造多采用一次成型工藝，如美國Norton高級陶瓷公司對NT154Si3N4材料在加壓條件下進行粉漿澆注法成型研制出陶瓷渦輪葉片，航天43所也采用粉漿澆注成型法制備出燃氣輪機用轉子，采用該方法所研制的陶瓷轉子廢品率很高，且主要針對結構較為簡單，且葉片數量較少的陶瓷轉子制造；而目前，尤其是航天飛行器發動機所用轉子，葉片數量較多，且葉片較薄。文獻《反應燒結Si3N4陶瓷微型轉子的制備》提出了將加工好的Si粉預燒體部件在氮氣中加熱，使其發生Si3N4反應燒結得到Si 3N4陶瓷轉子，該方法結合了 Si粉預燒結體的可加工性和Si3N4反應燒結所具有的近凈尺寸成形特點，但是該方法所針對的是微小陶瓷零件制造。

【發明內容】

[0004]在下文中給出了關于本發明的簡要概述，以便提供關于本發明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本發明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]鑒于此，根據本發明的一個方面，提供了一種陶瓷轉子類零件制造工藝方法，以至少解決目前陶瓷轉子類零件制造廢品率高、制造效率低、材料性能難以滿足工作需求的問題，本發明是一種高效、高精度的具有復雜葉型、葉片數量多且葉片結構較薄、材料具有較高硬度和較低斷裂韌性的耐高溫陶瓷材料轉子零件制造工藝方法，實現陶瓷轉子高效、高精度制造，從而滿足工作要求。
[0006]本發明一種陶瓷轉子類零件制造工藝方法，其具體步驟為:
[0007]步驟一:根據陶瓷轉子零件工作性能要求，確定陶瓷材料種類，并根據不同的陶瓷材料，確定陶瓷材料靜壓成型與二次燒結致密間的收縮率δ ；
[0008]步驟二:根據陶瓷材料收縮率，計算陶瓷轉子粗加工尺寸，粗加工尺寸為最終轉子尺寸的(1+ δ )倍；
[0009]步驟三:確定陶瓷材料粉體尺寸，并將陶瓷粉體、粘合劑、水溶劑及添加劑在常溫下混合，形成漿料；
[0010]步驟四:將漿料注入圓柱形模具，靜置半小時使揮發性有機材料揮發一部分，然后在60度下烘烤半小時使揮發性有機材料揮發完全；
[0011]步驟五:在一定壓強下，采用靜壓成型機將漿料靜壓成型；
[0012]步驟六:將靜壓成型后陶瓷材料毛坯用沙子埋沒，采用真空燒結爐進行燒結；
[0013]步驟七:采用四軸高速銑削機床和整體式球頭刀具，將陶瓷材料毛坯加工至陶瓷轉子零件擴大后尺寸，加工余量為0.5mm ；
[0014]步驟八:將加工后零件放入真空燒結爐進行二次致密燒結；
[0015]步驟九:對二次致密燒結后陶瓷轉子零件選用不同粒度、濃度的金剛石球頭磨頭進行葉型精磨，加工余量為0，且表面粗糙度小于0.5 μπι。
[0016]其中:步驟一和步驟二中提出了粗加工過程中陶瓷轉子加工尺寸與零件最終尺寸之間存在一個擴大倍數(1+S)。如此設計，為了保證粗加工后陶瓷軸轉子零件二次致密燒結后尺寸最大可能接近零件最終尺寸要求，減小精加工余量，提尚加工效率。
[0017]其中:步驟四設計了靜壓成型前對揮發性有機物質進行處理，通過靜置和烘烤去除揮發性有機物質，減少陶瓷成型過程中產生氣孔，提高了毛坯成型密度和成型強度。
[0018]其中:步驟五和步驟六中對漿料采用靜壓成型與低溫燒結結合的材料制備工藝，提高了陶瓷粉體間結合力。
[0019]其中:步驟三、步驟四、步驟五和步驟六中采用凝膠成型方法制備陶瓷毛坯，該方法成型時間短，成本低，準確度高；且所制備的陶瓷材料可加工性能好，提高了轉子零件加工成型效率。
[0020]其中:步驟八采用二次燒結工藝對零件毛坯致密，提高了零件材料強度，并提高了葉片表面耐摩擦和零件耐高溫性能。
[0021]其中:步驟七采用銑削工藝方法進行轉子葉片粗加工；步驟九采用磨削工藝方法進行轉子葉片精加工，提高了陶瓷轉子加工效率和加工質量。
[0022]優選的:在步驟一中，采用靜壓成型制備直徑為100_的陶瓷圓柱體，然后將該陶瓷圓柱體二次燒結致密，測量此時陶瓷圓柱體的直徑D，從而獲得材料收縮率δ。
[0023]優選的:在步驟三中，采用篩子將陶瓷粉體尺寸控制在200目以上。如此設計，陶瓷粉體表面性能好，可保證陶瓷材料靜壓成型與二次致密燒結后強度滿足性能需求。
[0024]優選的:在步驟三中，陶瓷粉體中添加稀土元素氧化物作為添加劑，如La203、Sm203、Nd203o如此設計，可以促進燒結過程，獲得致密性陶瓷材料。
[0025]優選的:在步驟三中，采用的粘合劑為三甲基丙烷三丙烯酸。如此設計，該類型粘合劑粘度較低，可改變聚合凝膠的機械性能，最適合陶瓷成型。
[0026]優選的:在步驟五中，在壓強為55MPa下，對陶瓷漿料成型。如此設計，該壓強下，陶瓷材料毛坯成型效果最好。
[0027]優選的:在步驟六中，采用燒結溫度110°C，保溫時間30min對陶瓷毛坯材料進行真空燒結。如此設計，提高陶瓷毛坯強度和斷裂韌性，防止粗加工過程中材料碎裂。
[0028]優選的:在步驟七中，全部采用整體式球頭刀具在精雕機上加工陶瓷毛坯至尺寸要求，刀具轉速24000r/min，切深0.05mm，進給速度為100mm/min。如此設計，可提高陶瓷轉子粗加工表面完整性，同時可保證加工精度。
[0029]優選的:所述精雕機床為Carver_A10精雕機床。如此設計，該機床具有較高的主軸轉速，同時機床結構緊湊，機床振動小。
[0030]優選的:在步驟八中，以氮氣作為加壓物質，在溫度1600?1800°C，壓力20?30MPa，保壓時間20?120min條件下對粗加工后陶瓷轉子進行致密燒結。如此設計提高陶瓷材料硬度和強度，以滿足零件性能需求。
[0031]優選的，在步驟九中，采用粒度為D91的電鍍金剛石球頭磨頭精磨葉型，刀具轉速24000r/min,切深0.03mm。如此設計，提高零件加工精度。
[0032]本發明所達到的效果為:
[0033](I)本發明提供了一種陶瓷轉子類零件制造工藝方法，采用該加工方法，加工效率提高了 3?6倍，降低了廢品率，并提高了質量可靠性；
[0034](2)本發明所提供的陶瓷轉子制造工藝方法，葉片抗拉強度高達350MPa，葉型精度為0.08mm,動不平衡量達到0.8g.mm/Kg,表面粗糙度小于0.5 μ m ;
[0035](3)本發明實現了具有30個葉片、轉子外徑為85mm的陶瓷轉子制造，葉片最薄處為1.5mm,最厚處僅有