本发明涉及陶瓷型壳制备技术领域，具体涉及一种大型复杂结构定向凝固合金用陶瓷型壳的制备方法。
背景技术
重型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，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。国外相关技术已经成熟，大型定向和单晶叶片稳定批产，国内目前尚无制造能力，而相关材料和技术与先进航空发动机叶片密切相关，国外对中国实行严格的技术封锁和价格垄断。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。
由于重燃叶片的尺寸越来越大，内部及外部形状越来越复杂，使用温度越来越高，对于型壳的要求越来越高。复杂大尺寸抗热冲击的定向及单晶的型壳制造技术成为了研发当中遇见的首当其冲的待解决问题，因此探索一种大尺寸复杂结构的定向凝固叶片用高强度陶瓷型壳的制备工艺，改善大型复杂结构叶片型壳定向凝固过程中的开裂漏钢问题，保证铸件质量成为科研生产中的急切需要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种大尺寸复杂结构定向凝固合金用陶瓷型壳的制备方法，该方法能够改善大型复杂结构合金件(如叶片)型壳在定向凝固过程中的开裂漏钢问题，保证铸件质量。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种大尺寸复杂结构定向凝固合金用陶瓷型壳的制备方法，该方法包括如下步骤：
(a)型壳制备，包括如下步骤(a1)-(a4)：
(a1)面层料浆配置：
面层料浆的组成为ec95(320目)、硅溶胶830、润湿剂jfc和消泡剂正辛醇；其中：硅溶胶830与ec95(320目)重量比例为1：(3.5～4.25)，润湿剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％，消泡剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％；
(a2)加固层料浆配制：
加固层料浆组成为ec95(320目)、硅溶胶1430、润湿剂jfc和消泡剂正辛醇；其中：硅溶胶与ec95(320目)的重量比例为1：(1.5～1.75)，润湿剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％，消泡剂的体积为硅溶胶体积的0.1～0.15％；
(a3)撒砂材料的配置：
撒砂材料为ec95砂；
(a4)型壳的涂挂操作：
蜡型首先采用面层料浆涂挂第1层作为面层，粘度控制在35～40s，撒砂为ec95砂；然后采用加固层料浆涂挂第2～4层作为加固层，粘度控制在12～18s，撒砂为ec95砂；再采用加固层料浆涂挂之后的第5～10层，粘度控制在12～18s，撒砂为ec95砂；最后采用加固层料浆涂挂第11层，粘度控制在12～18s，即封浆；
(b)型壳的脱蜡：
将制备好的型壳用脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6～0.7mpa，温度165～170℃，脱蜡时间为15～20分钟；
(c)型壳的焙烧：
型壳焙烧分两步进行，第一步，型壳平放在电炉底板上，焙烧温度：480-520℃，焙烧时间≥2小时，到保温时间后开炉门降温；第二步，在定向凝固过程中，在真空度小于3pa后开始加热，加热温度1250-1350℃，保温30min。
上述步骤(a1)中，所述面层料浆的制备过程为：将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例依次加入润湿剂和消泡剂，然后在搅拌条件下缓慢加入ec95(320目)，搅拌时间大于2小时；搅拌过程中测量粘度1-2次(粘度应略大于规定粘度)；再倒入另一涂料桶内继续搅拌24小时后方备用；面层料浆的粘度控制在35～40s。
上述步骤(a2)中，所述加固层料浆的制备过程为：将硅溶胶倒入涂料桶内，再依次加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌中测量粘度1-2次(粘度应略大于规定粘度)，搅拌时间大于2小时后备用；加固层料浆的粘度控制在12～18s。
上述步骤(a3)中，撒砂材料的粒度分别为80#、60#、46#、24#。
上述步骤(a4)中，在型壳的涂挂操作过程中，在涂挂第5-11层中的某一层时进行一次或多次的强化处理，强化处理过程如下：
先将型壳浸入硅溶胶1430中1～2min，然后取出，在型壳表面涂刷一层加固层料浆；然后将在加固层料浆中浸泡过的碳纤维编织布紧密覆盖在型壳表面，再在型壳外部均匀涂刷一层加固层料浆；自然干燥12h后再涂制下一层涂料。
所述强化处理过程中，碳纤维编织布浸泡在加固层料浆之前，先进行剪裁，剪裁方式为：将碳纤维编织布裁剪成多个不同形状的小块布，各个小块布之间能够相互拼接成合金零件的外形，然后将裁剪的碳纤维编织布浸泡在装有加固层料浆的容器内；将碳纤维编织布紧密覆盖在型壳表面的过程中，将各个小块的碳纤维编织布贴在型壳表面相应位置，并将碳纤维编织布压实，保证每块碳纤维编织布之间互相压实并连接，保证所有型壳外表面都覆盖完毕。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明型壳制备过程中，涂覆一层或几层碳纤维材料，对型壳进行强化。
2、本发明对型壳的焙烧工艺进行改进，分为两步进行，先是低温焙烧，然后进行真空高温烧结，以防止增强层氧化，进而增强型壳强度，改善型壳开裂几率，从而达到预防型壳开裂漏钢目的。
具体实施方式：
以下详述本发明。
实施例1
重型燃气轮机中镍基高温合金叶片采用定向凝固制备，定向凝固用陶瓷型壳的制备过程如下：
1、型壳制备：
1.1配制面层涂料：准备好ec95(320目)粉、硅溶胶(830)、润湿剂(jfc)，消泡剂(正辛醇)；配制比例为硅溶胶与ec95(320目)重量比为1：3.5～4.25，润湿剂和消泡剂均为硅溶胶体积0.1～0.15％；将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌时间大于2小时，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)再倒入另一涂料桶内继续搅拌24小时后方可使用。粘度要求35～40s。
1.2配制加固层涂料：加固层配制比例为硅溶胶(1430)与ec95(320目)比例为1：1.5～1.75，润湿剂和消泡剂均为硅溶胶体积的0.1％～0.15％；将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，搅拌时间大于2小时后方可使用,粘度控制在12～18s。
1.3对组好的蜡型进行涂挂操作：第一层涂挂面层涂料，粘度要求35～40s，撒砂要求80#ec95型砂，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入面层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，重复以上操作后，把模组送入淋砂机(手工挂砂)内挂砂，挂砂时间约为10秒，然后将模组挂在模组架上自然干燥13～16小时。第二层涂挂加固层涂料，粘度要求16～18s，撒砂要求80#ec95型砂，首先用喷枪轻轻吹掉面层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后再浸入硅溶胶中，浸硅溶胶约2秒钟即可迅速取出、控掉多余硅溶胶后浸入二层料浆，操作同面层操作，挂砂后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。第三层涂挂加固层涂料，粘度要求12～15s，撒砂要求60#ec95型砂，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，其余同第一层操作。第四层涂挂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求46#ec95型砂。涂制第五层至第十层涂料涂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求24#ec95型砂。第十一层封浆，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入加固层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，然后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。干燥时间大于24小时。
1.4型壳强化处理
在涂制第五层涂料后，对型壳采取强化处理。具体操作为：先将型壳浸入1430号硅溶胶中1～2min，然后取出。采用碳纤维编织布按照叶片外形裁剪成不同形状，然后将碳纤维布浸泡在装有加固层涂料容器内，用毛刷将型壳外部涂刷1层加固层料浆，然后将裁剪好的浸泡在容器加固层料浆中的碳纤维布贴在型壳对应位置，将纤维布压实，保证每块纤维布之间互相压实连接，保证所有型壳外表面都覆盖完毕，再用毛刷将型壳外部均匀涂刷1层加固层料浆进而做封浆处理。自然干燥12h后涂制第六层涂料。
2、型壳的脱蜡：
将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6～0.7mpa，温度165～170℃，脱蜡时间为15～20分钟；
3、型壳的焙烧：
型壳焙烧分两步进行，第一步，型壳平放在电炉底板上，焙烧温度：500℃±20℃，时间≥2小时，到保温时间后允许开炉门降温。第二步，定向凝固过层中，在真空度进入3pa以内开始加热，1300度保温30min。
利用本实施例制备的型壳生产叶片铸件，该大型铸件漏钢率小于10％，而常规涂制工艺下(无强化处理过程)型壳漏钢率为35％左右。
实施例2
重型燃气轮机中镍基高温合金叶片采用定向凝固制备，定向凝固用陶瓷型壳的制备过程如下：
1、型壳制备：
1.1配制面层涂料：准备好ec95(320目)粉、硅溶胶(830)、润湿剂(jfc)、消泡剂(正辛醇)；配制比例为硅溶胶与ec95(320目)重量比为1：3.5～4.25，润湿剂和消泡剂均为硅溶胶体积0.1～0.15％；将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌时间大于2小时，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)再倒入另一涂料桶内继续搅拌24小时后方可使用。粘度要求35～40s。
1.2配制加固层涂料：加固层配制比例为硅溶胶(1430)与ec95(320目)比例约为：1：1.5～1.75，润湿剂和消泡剂均为硅溶胶体积的0.1％～0.15％；将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，搅拌时间大于2小时后方可使用,粘度控制在12～18s。
1.3对组好的蜡型进行涂挂操作：第一层涂挂面层涂料，粘度要求35～40s，撒砂要求80#ec95型砂，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入面层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，重复以上操作后，把模组送入淋砂机(手工挂砂)内挂砂，挂砂时间约为10秒，然后将模组挂在模组架上自然干燥13～16小时。第二层涂挂加固层涂料，粘度要求16～18s，撒砂要求80#ec95型砂，首先用喷枪轻轻吹掉面层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后再浸入硅溶胶中，浸硅溶胶约2秒钟即可迅速取出、控掉多余硅溶胶后浸入二层料浆，操作同面层操作，挂砂后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。第三层涂挂加固层涂料，粘度要求12～15s，撒砂要求60#ec95型砂，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，其余同第一层操作。第四层涂挂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求46#ec95型砂。涂制第五层至第十层涂料涂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求24#ec95型砂。第十一层封浆，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入加固层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，然后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。干燥时间大于24小时。
1.4型壳强化处理：
在涂制第七层涂料后，对型壳采取强化处理。具体操作为：先将型壳浸入1430号硅溶胶中1～2min，然后取出。采用碳纤维编织布按照叶片外形裁剪成不同形状，然后将碳纤维布浸泡在装有加固层涂料容器内，用毛刷将型壳外部涂刷1层加固层料浆，然后将裁剪好的浸泡在容器加固层料浆中的碳纤维布贴在型壳对应位置，将纤维布压实，保证每块纤维布之间互相压实连接，保证所有型壳外表面都覆盖完毕，再用毛刷将型壳外部均匀涂刷1层加固层料浆进而做封浆处理。自然干燥12h后涂制第八层涂料。
2型壳的脱蜡：
将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6～0.7mpa，温度165～170℃，脱蜡时间为15～20分钟；
3型壳的焙烧：
型壳焙烧分两步进行，第一步，型壳平放在电炉底板上，焙烧温度：500℃±20℃，时间≥2小时，到保温时间后允许开炉门降温。第二步，定向凝固过层中，在真空度进入3pa以内开始加热，1300℃保温30min。
利用本实施例制备的型壳生产叶片，该大型铸件漏钢率小于8％，而常规涂制工艺下该型壳漏钢率为35％左右。
实施例3
重型燃气轮机中镍基高温合金叶片采用定向凝固制备，定向凝固用陶瓷型壳的制备过程如下：
1、型壳制备：
1.1配制面层涂料，准备好ec95(320目)粉，硅溶胶(830)，润湿剂(jfc)，消泡剂(正辛醇)；配制比例为硅溶胶与ec95(320目)重量比为1：3.5～4.25，润湿剂、消泡剂均为硅溶胶体积0.1～0.15％；将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再按比例加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌时间大于2小时，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)再倒入另一涂料桶内继续搅拌24小时后方可使用。粘度要求35～40s。
1.2配制加固层涂料，加固层配制比例为硅溶胶(1430)与ec95(320目)比例约为：1：1.5～1.75，润湿剂、消泡剂均为硅溶胶体积的0.1％～0.15％；将定量的硅溶胶倒入涂料桶内，再加入润湿剂和消泡剂，同时开动搅拌机边搅拌边缓慢加入ec95(320目)，搅拌中测量粘度一至二次(粘度应略大于规定粘度)，搅拌时间大于2小时后方可使用,粘度控制在12～18s。
1.3对组好的蜡型进行涂挂操作，第一层涂挂面层涂料，粘度要求35～40s，撒砂要求80#ec95型砂，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入面层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，重复以上操作后，把模组送入淋砂机(手工挂砂)内挂砂，挂砂时间约为10秒，然后将模组挂在模组架上自然干燥13～16小时。第二层涂挂加固层涂料，粘度要求16～18s，撒砂要求80#ec95型砂，首先用喷枪轻轻吹掉面层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后再浸入硅溶胶中，浸硅溶胶约2秒钟即可迅速取出、控掉多余硅溶胶后浸入二层料浆，操作同面层操作，挂砂后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。第三层涂挂加固层涂料，粘度要求12～15s，撒砂要求60#ec95型砂，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，其余同第一层操作。第四层涂挂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求46#ec95型砂。涂制第五层至第十层涂料涂加固层涂料，操作同第三层，撒砂要求24#ec95型砂。第十一层封浆，用喷枪轻轻吹掉上层涂料的浮砂，重点是吹掉槽、孔、缝隙等部位的浮砂后，握住模组的手柄或浇口杯，缓缓浸入加固层料浆内，10～15s后取出模组，使多余的料浆滴入料浆桶内，用喷枪轻轻吹去盲孔，窄槽的气泡，使模组各部位均匀地覆盖一层料浆，然后将模组挂在封闭轨悬挂输送机上干燥5～7小时。干燥时间大于24小时。
1.4型壳强化处理
在涂制第五层及第七层涂料后，对型壳采取两次强化处理，两次强化处理操作相同。具体操作为：先将型壳沁入1430号硅溶胶中1～2min，然后取出。采用碳纤维编织布按照叶片外形裁剪成不同形状，然后将碳纤维布浸泡在装有加固层涂料容器内，用毛刷将型壳外部涂刷1层加固层料浆，然后将裁剪好的浸泡在容器加固层料浆中的碳纤维布贴在型壳对应位置，将纤维布压实，保证每块纤维布之间互相压实连接，保证所有型壳外表面都覆盖完毕，再用毛刷将型壳外部均匀涂刷1层加固层料浆进而做封浆处理。自然干燥12h后涂制下一层涂料。
2型壳的脱蜡
将制备好的型壳用高压脱蜡釜进行脱蜡，压力控制在0.6～0.7mpa，温度165～170℃，脱蜡时间为15～20分钟；
3型壳的焙烧
型壳焙烧分两步进行，第一步，型壳平放在电炉底板上，焙烧温度：500℃±20℃，时间≥2小时，到保温时间后允许开炉门降温。第二步，定向凝固过层中，在真空度进入3pa以内开始加热，1300度保温30min。
4利用本实施例制备的型壳生产叶片，该大型铸件漏钢率小于5％，而常规涂制工艺下该型壳漏钢率为35％左右。