一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，属于航空发动机空心涡轮叶片制造装备领域，包括加压釜组件、缓冲釜组件及控制器，加压釜组件和缓冲釜组件中均设有加热装置，加压釜组件和缓冲釜组件通过对流通道相连，对流通道上设有阀门，加压釜组件和缓冲釜组件的温度、加热装置的功率及阀门的通断均由控制器控制。该脱除装置结构设计合理，使用简便，能够有效解决空心涡轮叶片铝基金属叶身中残留陶瓷型芯难以脱除的问题，可以广泛运用于空心涡轮叶片的制造领域。
【专利说明】
一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置
技术领域
[0001]本发明属于航空发动机空心涡轮叶片制造装备领域，具体涉及一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置。【背景技术】
[0002]氧化铝基的型芯的基体材料是熔融刚玉，有耐火度极高、化学稳定性极好、热稳定性极高等特点，同时以氧化铝为基体的基陶瓷型芯可以制造单晶定向叶片，单晶定向叶片可以显著提高发动机的性能，这种先天优势决定了其能很好的保证型芯的性能。但事物都有其两面性，这些优点同时也是其缺点一很难从型芯中脱除，对于形状复杂，特别是具有细小通道结构的型芯更显得尤为突出。
[0003]氧化铝陶瓷型芯浇铸的空心涡轮叶片型腔通道弯曲复杂，叶片排气通道中的反应残渣难以被彻底脱除，致使制造的叶片性能较差，不能使发动机的冷却系统正常工作，严重影响发动机的各项性能。利用目前的脱除工艺很难将氧化铝陶瓷型芯快速脱除，难以满足工业生产的需求。因此，航空发动机现阶段的重点、难点在于如何高效率的脱除氧化铝陶瓷型芯。在目前的常规工艺中，很难解决氧化铝陶瓷型芯完整的脱除。
[0004]飞机发动机叶片氧化铝陶瓷型芯脱除还处在研究当中，涡轮叶片型芯的脱除无法达到工业生产的标准，为了追求更先进的飞机发动机性能，当务之急是如何快速脱除氧化铝陶瓷型芯。为了实现发动机性能的大幅度提高，涡轮叶片的陶瓷型芯脱除技术成为关键。 氧化铝陶瓷自身较难高效的从型腔中完全脱除，尤其是对于型腔复杂、通道细小的叶片更是如此，基于此背景，脱芯设备的研发和设计也成为脱芯的重点。
[0005]在现有的研究中，美国联合技术公司采用高温高压的碱溶液射流冲击溶解陶瓷型芯，碱溶液周期性地喷出冲击并溶解陶瓷型芯，射流的脉冲时间间隔为1?l〇s。脱芯过程中周期性地喷射碱溶液和压缩空气，达到快速脱芯的目的。英国R〇 11 S-Royce公司，改变脱芯体系的压力，使碱液快速渗入型芯内部，提高腐蚀反应速率，同时在脱芯液中添加活性剂 (NaCl或KC1)，可提高脱芯效率。西北工业大学王宝生等采用的脱芯方法主要包括正负循环打压和沸水煮芯两个步骤。美国General Electric公司，在脱芯液中添加表面活性剂，在高温高压条件下，使脱芯液近乎为超临界流体状态，从而脱出氧化铝基陶瓷型芯。美国Howmet 公司利用压缩空气将铸件中的反应产物吹除，使陶瓷型芯新断面暴露出来，采用熔融碱或碱的水溶液为脱芯液，添加海绵钛作为消氧剂，脱出氧化铝基陶瓷型芯。上述现有技术在去除陶瓷型芯的陶瓷型芯过程中对环境的隔离性要求高，需要通过气体和液体压力对陶瓷型芯内部进行冲击，设备要求性高，但处理效率低。
[0006]然而，利用对流原理脱芯的设备还没有出现。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，该脱除装置结构设计合理，使用简便，能够有效脱除涡轮叶片的型芯。
[0008]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0009]一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，包括加压釜组件、 缓冲釜组件及控制器，加压釜组件和缓冲釜组件中均设有加热装置，加压釜组件和缓冲釜组件通过对流通道相连，对流通道上设有阀门，加压釜组件和缓冲釜组件的温度、加热装置的功率及阀门的通断均由控制器控制。
[0010]加压釜组件包括加压釜釜体及加压釜端盖，缓冲釜组件包括缓冲釜釜体及缓冲釜端盖，在加压釜端盖和缓冲釜端盖上均设有压力表和温度计，温度计能够伸入釜体中。 [〇〇11] 在加压釜端盖和缓冲釜端盖上均设有爆破阀和泄压阀。
[0012]加压釜组件和缓冲釜组件外均设有支架，支架由顶端支架板、底板以及四周的导轨组成，加压釜端盖和缓冲釜端盖分别固定在各自支架的导轨上，在顶端支架板上设有用于控制端盖升降的升降电机。
[0013]在加压釜端盖和缓冲釜端盖上设有凹槽，在加压釜釜体和缓冲釜釜体上设有凸槽，凹槽与凸槽相配合并通过螺栓螺母压制密封。
[0014]加压爸端盖和缓冲爸端盖中均设有水循环冷却通道。
[0015]加压釜组件和缓冲釜组件的高压范围为25?30MPa，耐高温范围为400?500 °C。 [〇〇16] 加压釜组件和缓冲釜组件均为密闭容器，尺寸范围为:直径为280?600mm;高度为 300?600mm〇[〇〇17]所述加热装置为加热电阻。
[0018]在加压釜组件、缓冲釜组件及控制器外部还设有外壳。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0020]本发明公开的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，基于对流换热的原理，装置包括加压釜组件和缓冲釜组件，加压釜组件和缓冲釜组件通过对流通道相连，对流通道上设有阀门，加压釜和缓冲釜由阀门分隔成两个独立的系统，并通过阀门实现通断。加压釜和缓冲釜内充满浸出液，加压釜的浸出液与脱芯叶片接触，促进涡轮叶片型芯脱除，缓冲釜辅助加压釜产生对流换热效应。加压釜和缓冲釜通过对流通道连通，在升温加压过程中加压釜温度升高，缓冲釜温度保持不变，加压过程中连接通道阀门闭合。当压力达到指定压力时， 通过阀门的通断来实现内部气体的对流换热，两个釜内液体内部气体压力交互变换，脱芯液沸点变化，发生沸腾。同时，装置还设有控制器，阀门通断由控制器进行控制，并由温度对控制器进行反馈控制，在加热加压过程中加压釜和缓冲釜中的实时温度、设定温度和加热装置的功率的设定均由控制器控制和显示。此外，加压釜在加热之前进行预加压，辅助加压釜增加内部压力，预加压后，对加压釜进行加热，加压釜加热温度升高，缓冲釜保持不变，导致加压釜和缓冲釜存在压力差，在加压釜温度达到设定温度时，通过控制器设置指定时间间隔控制阀门打开，两个釜内液体上方的气体对流换热，内部压力发生变化，液体的沸点降低，液体搅拌翻腾。该脱除装置结构设计合理，使用简便，能够有效脱除涡轮叶片的型芯。
[0021]进一步地，加压釜和缓冲釜内的压力由压力表适时测量，温度由温度计测量，压力表和温度表测量的结果能够反馈至控制器。在加压釜端盖和缓冲釜端盖上均设有爆破阀和泄压阀，加压釜和缓冲釜的对流换热每一次发生，并且压力平衡后，阀门自动关闭，并且在控制器的作用下，通过泄压阀进行自动泄压、冷却，调节釜内部压力和温度。加压釜和缓冲釜的内部压力超过设置的设备额定压力时，加压釜和缓冲釜通过爆破阀释放压力，保证安全。
[0022]进一步地，加压釜组件和缓冲釜组件外均设有支架，支架由顶端支架板、底板以及四周的滑轨组成，加压釜端盖和缓冲釜端盖分别固定在各自支架的滑轨上，在顶端支架板内设有用于控制端盖升降的升降电机，端盖通过升降电机带动上升下降，升降电机通过控制器控制升降。
[0023]进一步地，加压釜和缓冲釜的端盖和釜体之间通过机械压制密封，端盖上加工凹槽，釜体上加工凸槽。采用螺母螺栓压制，端盖通过螺栓、螺母与釜体连接，实现高温高压下的气密性密封，确保脱芯釜足够的耐压能力。
[0024]进一步地，加压釜端盖和缓冲釜端盖中均设有水循环冷却通道，当温度达到温度最高时，通过通入水循环实现水冷，加快装置冷却速度，便于端盖和爸体分离。【附图说明】
[0025]图1为本发明的脱芯装置的结构主视图；
[0026]图2为本发明的脱芯装置内部结构图；[〇〇27]图3为本发明的脱芯装置使用原理示意图；[〇〇28]图4为空心涡轮叶片示意图。[〇〇29] 其中，1.加压釜组件；2.加压釜釜体;3.加压釜端盖;4.升降电机;5.压力表;6.阀门；7.对流通道;8.控制器;9.温度计；10.缓冲釜釜体；11.外壳；12.缓冲釜组件；13.导轨； 14.顶端支架板;15.升降槽;16.螺栓；17.陶瓷型芯；18.金属叶身；19.加热电阻;20.待处理的空心涡轮叶片;21.加压釜中浸出液;22.缓冲釜中浸出液;23.爆破阀；24.泄压阀；25.水循环冷却通道。【具体实施方式】
[0030]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0031]本发明提供了一种金属空心涡轮叶片陶瓷型芯脱除的装置，在高温高压条件下， 采用化学腐蚀法脱除型芯，化学腐蚀法是利用化学物质与陶瓷型芯发生化学反应使型芯溶解而去除，化学腐蚀法的外界条件是通过脱芯釜制造高温高压环境形成的，脱芯釜能够产生对流效果，引起腐蚀液沸腾，从而加快脱芯速度。该装置由加压釜和缓冲釜两个釜组成， 釜内部形成一个封闭的系统。加压釜和缓冲釜内充满浸出液，加压釜的浸出液与脱芯叶片接触，促进涡轮叶片型芯脱除，缓冲釜辅助加压釜产生对流效应。
[0032]加压釜和缓冲釜通过对流通道连接，通过阀门实现通断，实现内部液体的对流效果，开始加热时加压釜和缓冲釜温度和压力相同，关闭阀门。加压釜加热温度升高，缓冲釜保持不变，导致加压釜和缓冲釜存在压力差，在加压釜温度达到设定温度时，通过控制器设置指定时间间隔控制阀门打开，两个釜内液体温度对流互换，内部压力发生变化，液体搅拌翻腾。[〇〇33]参见图1?3,本发明的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置， 包括加压釜组件1、缓冲釜组件12及控制器8,加压釜组件1和缓冲釜组件12中均设有加热装置，加压釜组件1和缓冲釜组件12通过对流通道7相连，对流通道7上设有阀门6,加压釜组件1和缓冲釜组件12的温度、加热装置的功率及阀门6的通断均由控制器8控制。加压釜组件1 包括加压釜釜体2及加压釜端盖3,缓冲釜组件12包括缓冲釜釜体10及缓冲釜端盖，在加压釜端盖3和缓冲釜端盖上均设有压力表5和温度计9,温度计9能够伸入釜体中。在加压釜端盖3和缓冲釜端盖上均设有爆破阀23和泄压阀24,加压釜和缓冲釜的对流换热每一次发生， 并且压力平衡后，阀门自动关闭，并且在控制器的作用下，通过泄压阀进行自动泄压、冷却， 调节釜内部压力和温度。泄压阀24用于设备降压降温，当温度和压力降低到一定的范围内， 开启泄压阀24平衡釜内外气压，便于釜体开启。釜内的压力通过压力表进行实时测量，脱芯装置内部压力超过额定压力时，爆破阀23打开泄压，保证釜内部压力安全。加压釜和缓冲釜的内部压力超过设置的设备额定压力时，加压釜和缓冲釜通过爆破阀释放压力，保证安全。 控制器8的作用是设定釜内部最高温度和加热装置的加热功率，并实时检测脱芯装置内部温度和压力，同时控制电机的开关。[〇〇34]加压釜组件1和缓冲釜组件12外均设有支架，支架由顶端支架板14、底板以及四周的导轨13组成，加压釜端盖3和缓冲釜端盖分别固定在各自支架的导轨13上，在顶端支架板 14上设有用于控制端盖升降的升降电机4。端盖上还设有升降槽15,升降电机4与升降槽15 通过电机钢丝竖直连接，升降电机4带动钢丝实现端盖的升降。在加压釜端盖3和缓冲釜端盖上设有凹槽，在加压釜釜体2和缓冲釜釜体10上设有凸槽，凹槽与凸槽相配合并通过螺栓 16及螺母压制密封，采用螺母螺栓压制，端盖通过螺栓、螺母与釜体连接，实现高温高压下的气密性密封，确保脱芯釜足够的耐压能力。加压釜端盖3和缓冲釜端盖中均设有水循环冷却通道25，当温度达到温度最高时，通过通入水循环实现水冷，加快装置冷却速度，便于端盖和爸体分离。[〇〇35] 优选地，加压釜组件1和缓冲釜组件12的高压范围为25?30MPa，耐高温范围为400 ?500°C。加压釜组件1和缓冲釜组件12均为密闭容器，尺寸范围为:直径为280?600mm;高度为300?600mm。所述加热装置为加热电阻19,在加压釜组件1、缓冲釜组件12及控制器8外部还设有外壳11。
[0036]参见图4,为空心涡轮叶片的结构示意图，未脱除陶瓷型芯的空心涡轮叶片由外部金属叶身18和内部陶瓷型芯17组成。脱芯装置中填充的脱芯液由碱性溶液(K0H或者NaOH) 组成，浓度范围为50 %-80 %。[〇〇37]本发明的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，在使用时: [〇〇38] 实验中，脱芯装置最高压力范围为25MPa_30MPa，耐高温范围为400-500°C，通过控制器设定最高温度为450 °C。
[0039]在实验开始时，关闭阀门6,在加压釜釜体2中加入质量分数70%的加压釜浸出液 21，加压釜浸出液21占加压釜体积比例为80 %-90 %;在缓冲釜釜体10中加入质量分数为 70%的缓冲釜浸出液22，缓冲釜浸出液22占缓冲釜体积比例为70%-80%，将待处理的空心涡轮叶片20放入加压釜釜体2中，使叶片完全浸泡在加压釜浸出液21中。将加压釜端盖3盖紧，通过螺栓螺母固定紧。
[0040]通过加压栗对加压釜组件1进行预冲压，压力达到3MPa停止。在控制器8上设定最高温度为450°C，对加压釜组件1加热，设定阀门6作用最低温度为280°C阀门，当加压釜组件 1温度达到280°C，阀门6通过控制器8打开，加压釜组件1和缓冲釜组件12存在压力差，瞬间产生对流换热，加压釜组件1上方压力变小，沸点降低，溶液沸腾，液体不断搅拌翻腾，冲击陶瓷型芯，加快型芯的脱除速率。当两个釜体压力平衡，阀门6关闭。加压釜持续进行加热， 压力不断升高；缓冲釜通过泄压阀24,释放压力，降低温度;通过控制器8设定30min阀门开通一次，循环上述操作。
[0041]加压釜组件1的压力达到设定最高温度时，缓冲釜组件12停止加热，水循环冷却通道25通水进行自然冷却。加压釜组件1的温度达到低于最高温度时，控制器8发挥作用，阀门 6通过控制器8控制打开，加压釜和缓冲釜存在压力差，产生对流效应，加压釜上方气体压力变小，沸点降低，溶液沸腾，冲击陶瓷型芯。加压釜和缓冲釜相互作用，循环往复上述操作。
[0042]阀门6通断由控制器8控制。釜内温度对于控制器8有反馈作用，在加热加压过程中加压釜和缓冲釜中的实时温度、设定温度和加热装置的功率设定由控制器8控制和显示。加热时端盖和釜体由螺栓16、螺母紧固，控制器8控制加热电阻19加热，同时温度的上升导致压力的上升，压力表5测量加压釜和缓冲釜内的压力。[〇〇43] 泄压阀24用于设备降压降温，当温度和压力降低到一定的温度和压力时，开启泄压阀24平衡加压釜和缓冲釜内外气压，便于加压釜和缓冲釜的开启。加压釜和缓冲釜内的压力通过压力表5进行测量，实时检测加压釜和缓冲釜内的压力，加压釜和缓冲釜内部压力超过额定压力时，爆破阀23打开泄压，保证加压釜和缓冲釜内部压力安全。
[0044]综上所述，本发明公开了一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，该装置主要采用对流换热的基本原理，在高温高压条件下，制造加压釜和缓冲釜的压力差，阀门打开时，加压釜和缓冲釜之间实现热量对流变换，从而使加压釜上方压力降低， 浸出液(脱芯液)沸点降低，脱芯液剧烈暴沸，冲击叶片陶瓷型芯，加快脱芯速率，增加脱芯效果。本发明能够有效解决空心涡轮叶片铝基金属叶身中残留陶瓷型芯难以脱除的问题， 可以广泛运用于空心涡轮叶片的制造领域。
【主权项】
1.一种基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其特征在于，包括加 压釜组件(1)、缓冲釜组件(12)及控制器(8)，加压釜组件(1)和缓冲釜组件(12)中均设有加 热装置，加压釜组件(1)和缓冲釜组件(12)通过对流通道(7)相连，对流通道(7)上设有阀门 (6)，加压釜组件(1)和缓冲釜组件(12)的温度、加热装置的功率及阀门(6)的通断均由控制 器(8)控制。2.根据权利要求1所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，加压釜组件(1)包括加压釜釜体(2)及加压釜端盖(3)，缓冲釜组件(12)包括缓冲 釜釜体(10)及缓冲釜端盖，在加压釜端盖和缓冲釜端盖上均设有压力表和温度计，温度计 能够伸入釜体中。3.根据权利要求2所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，在加压釜端盖和缓冲釜端盖上均设有爆破阀(23)和泄压阀(24)。4.根据权利要求2所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，加压釜组件(1)和缓冲釜组件(12)外均设有支架，支架由顶端支架板、底板以及 四周的导轨(13)组成，加压釜端盖和缓冲釜端盖分别固定在各自支架的导轨(13)上，在顶 端支架板上设有用于控制端盖升降的升降电机(4)。5.根据权利要求2所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，在加压釜端盖和缓冲釜端盖上设有凹槽，在加压釜釜体和缓冲釜釜体上设有凸 槽，凹槽与凸槽相配合并通过螺栓螺母压制密封。6.根据权利要求2所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，加压釜端盖和缓冲釜端盖中均设有水循环冷却通道(25)。7.根据权利要求1所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，加压釜组件(1)和缓冲釜组件(12)的高压范围为25?30MPa，耐高温范围为400? 500。。。8.根据权利要求1所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，加压釜组件(1)和缓冲釜组件(12)均为密闭容器，尺寸范围为:直径为280? 600mm;高度为300 ?600mm。9.根据权利要求1所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，所述加热装置为加热电阻(19)。10.根据权利要求1所述的基于对流换热原理的空心涡轮叶片陶瓷型芯的脱除装置，其 特征在于，在加压釜组件(1)、缓冲釜组件(12)及控制器(8)外部还设有外壳(11)。
【文档编号】B22C9/10GK105964937SQ201610367155
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】鲁中良, 万伟舰, 李涤尘, 苗恺, 陈义, 张航
【申请人】西安交通大学