[发明专利]一种改善燃气轮机叶片表面粘砂的陶瓷型壳的制备方法

说明书

本发明提供了一种改善燃气轮机叶片表面粘砂的陶瓷型壳的制备方法。本发明在配制面层浆料时，采用特定粗细的Al₂O₃粉以一定比例搭配形成混合粉，并引入一定量的按特定比例配置的金属氧化物混合粉，再与硅溶胶、润湿剂及消泡剂以一定比例搭配，可有效降低型壳表面层孔隙率，减轻物理粘砂倾向，而且可以防止陶瓷型壳中的低价氧化物与熔融合金中的活性元素反应，从而减少和防止熔融合金中的活性元素转入陶瓷型壳内，消除了化学粘砂倾向，提高了叶片表面质量。在涂挂时，采用底柱组合方式的蜡模，在涂挂时，控制面层和加固层的涂挂工艺，配合面层和加固层原料，从而使所得陶瓷型壳化学稳定性好，表面致密度高，从而解决和改善叶片表面粘砂问题。

技术领域

本发明涉及陶瓷型壳领域，特别涉及一种改善燃气轮机叶片表面粘砂的陶瓷型壳的制备方法。

背景技术

电厂发电用燃气轮机中使用的关键热端部件一、二级大型导向和涡轮叶片，目前基本采用定向柱晶或单晶高温合金，通过定向凝固技术制造。而国内目前尚无制造能力。因此，重型燃气轮机定向结晶叶片的材料与制造技术，目前已成为我国自主发展先进燃机装备业的瓶颈。

定向凝固精密铸造过程大致如下：采用型壳作为“容器”，在高温状态下向型壳内浇注金属液，使型壳内充满熔融金属，经定向凝固，得到铸件，如单晶定向叶片等。其中，型壳与熔融金属的界面作用既有热机械渗透作用，又有热物理化学作用；而定向凝固过程中，合金在型壳内保持液态的时间长达几十分钟到几小时，型壳材料各组分很容易与液态合金发生化学反应。因此，定向凝固所用型壳的表面层耐火材料不仅要软化点高，杂质含量低，而且材料本身的化学稳定性要好，以防止型壳表面与熔融合金发生化学反应。

由于重型燃气轮机中使用的单晶定向叶片尺寸越来越大，内部及外部形状越来越复杂，因燃机叶片使用工况恶劣，需要叶片具备较高的承温能力及耐热腐蚀能力，因此为满足叶片上述性能要求，就需要增加难熔合金元素及相应含量，难熔元素的增多即要求提高叶片定向凝固温度及浇注温度等冶炼参数，进而需要型壳适应更复杂的冶炼环境，对于型壳的化学稳定性要求也越来越高，由此容易导致叶片表面容易产生粘砂等问题。该粘砂严重降低叶片力学性能，产生缩孔裂纹等危险缺陷。因此，探索一种化学稳定性高的陶瓷型壳的制备工艺，改善大型复杂结构燃气轮机叶片表面粘砂问题，保证叶片表面质量成为科研生产中的迫切需要。

现有技术中有一些陶瓷型壳的相关技术方案，如下所示：

1.公开号为CN112676535 A的专利申请公开了制备一种能抑制与高温合金熔体之间的界面反应的陶瓷型壳，该型壳用于高温合金叶片的浇注成形。主要步骤为：对蜡膜进行面层浆料涂挂，涂挂后再进行干燥处理，在蜡膜上获得陶瓷型壳的第一面层；对第一面层进行N次背层浆料涂挂、干燥处理，在第一面层上获得陶瓷型壳的背层；在每一次背层浆料涂挂完成后，先在涂挂的背层浆料上撒上砂粒，再进行干燥处理；在第2次至第N-1次中的至少一次涂挂的背层浆料上撒的砂粒为碳酸钙砂粒；对背层进行面层浆料涂挂，涂挂后再进行干燥处理，在背层上获得陶瓷型壳的第二面层；最后焙烧处理，得到陶瓷型壳。

2.公开号为CN109909445B的发明专利公开了一种抑制高温合金涡轮叶片表面粘砂的陶瓷型壳制备方法：在搅拌状态下，将电熔刚玉粉以及六方氮化硼、煅烧高岭土和二氧化钛的复合粉体、乳胶、润湿剂、消泡剂、分散剂和防腐剂加入到硅溶胶中后，继续搅拌2～12h，得到陶瓷型壳的面层涂料，制备陶瓷型壳。该技术方案目的在于抑制“润湿～反应”所造成的化学粘砂，减少金属熔体机械热渗透所造成的粘砂。

3.公开号为CN106734853B的发明公开了一种镍基高温合金单晶/定向凝固用陶瓷型壳的制备工艺，该工艺方法中铝溶胶与刚玉粉重量比例为1：(3.5～4.25)，润湿剂和消泡剂的体积均为铝溶胶体积的0.1～0.15％。该技术方案在于改善杂质元素硅在单晶定向凝固过程中由型壳进入合金液污染合金，进而保证铸件合金质量。