制造陶瓷涡轮叶片的工艺的制作方法

本发明涉及一种制造陶瓷涡轮叶片的方法。

背景技术：

涡轮叶片、特别地用于涡轴飞机发动机的涡轮的涡轮叶片需要满足许多要求。特别地，它们必须能够承受可能超过1600开尔文(k)的非常高的温度，并且它们的形状是复杂的且还要求极大精确性并因此要求小的制造公差。

已知用金属制造用于涡轴飞机发动机的涡轮叶片从而使制作期望形状变得可能。尽管如此，金属无法承受上面提到的量级的温度梯度而不变形，所以提供复杂且昂贵的具有内部冷却系统的金属叶片是必要的。

陶瓷是承受非常高的温度梯度的材料，所以已经做出尝试以用此类材料制作涡轮叶片。具体地，用由陶瓷材料制成的叶片，甚至当其中它们受到的温度达到1600k或更多时，也不需要提供叶片冷却系统。

尽管如此，由于陶瓷不容易机加工，在使用可以工业化的方法时用陶瓷基材料获得具有必要精确性的期望的复杂形状是可能的。

美国专利5028362涉及使用胶凝注塑成型方法制造陶瓷部件。在那个方法中，陶瓷基悬浮液铸造成模具，且然后聚合。那个专利提到通过使用该技术获得在形状上复杂的部件的可能性。尽管如此，以那种方式制造的部件的形状由模具的形状指示。因此，如果模具制造不遵守就要求精确且昂贵的机加工的制造公差而言极其严格的限制，则从模具获得的部件的形状进行对于诸如涡轴飞机发动机涡轮等特别需要的应用不充分精确的风险。

技术实现要素：

本发明寻求提出一种制造陶瓷涡轮叶片的方法，所述陶瓷涡轮叶片基本上无上面提到的缺点且特别地使在工业规模上并用极大精确性制造复杂形状的陶瓷叶片变得可能。

此目的是通过以下事实实现的：为了制造陶瓷涡轮叶片，使用在粉末层上选择性熔融的技术，以便在模具中获得叶片模具腔体，提供陶瓷基悬浮液，该悬浮液引入叶片模具腔体中，该悬浮液在模具腔体中经受胶凝步骤，以便获得适合于从模具腔体抽出的叶片，并且所述叶片从模具腔体抽出。

用本发明的方法，可以用复杂且非常精确的形状获得叶片模具腔体。呈现模具腔体的模具可以然后工业地用于通过铸造陶瓷基悬浮液制造涡轮叶片。如以这种方式获得的叶片准确地呈现与叶片模具腔体相同的形状，如上所述，所述形状是非常精确的。因此，用复杂且非常精确的形状制造承受非常大的温度梯度的涡轮叶片，而不需要利用复杂冷却技术或形状校正，是可能的。

在第一实施例中，为了获得叶片模具腔体，通过在粉末层上的选择性熔融直接地做出模具。

因此，模具直接地作为单个件制作，其中叶片模具腔体在所述单个件内限定作为腔体。用于作为模具使用，例如通过线切割技术(使用电线并在电线中通过电流)或通过高精确性激光切割技术(使用激光束)，所述件可以切成至少两个模具部分。模具部分可以组装，以便在其之间形成模具腔体，或者它们可以分离用于脱模在模具腔体中形成的叶片。

从开始在粉末层上使用选择性熔融形成至少两个模具部分也是可能的，其中所述至少两个模具部分适合于组装以在其之间形成模具腔体，或者适合于分离用于脱模在模具腔体中形成的叶片。

以任何方式，模具腔体用非常大的精确性形成且可以具有涡轮叶片要求的复杂形状。

在第二实施例中，为了获得叶片模具腔体，通过在粉末层上的选择性熔融制作叶片模具，聚合物基糊剂围绕叶片模具铸造，所述糊剂变硬以便形成模体，所述模体经切割获得包封叶片模具的至少两个模具部分，并且所述部分分离以便从模体抽出叶片模型，使得所述部分可以再次组装以便在其之间形成叶片模具腔体。

在此第二实施例中，是通过在粉末层上的选择性熔融制作叶片模型，并且该模型用于通过在模具中形成叶片模具腔体制造模具，其中陶瓷叶片可以在模具中制造。由于模具由在叶片模型上变硬的聚合物基糊剂制成，非常紧密地适合模型的形状，使得如以这种方式在模具中获得的叶片模具腔体的形状是非常精确的。此外，由于模具由聚合物基材料制成，模具可以切割以便通过使用如上面提及的激光切割技术或线切割技术形成模具部分。

有利地，在从模具腔体抽出叶片之后，所述叶片进行干燥。

有利地，在干燥之后，叶片进行烧结。

有利地，悬浮液的陶瓷基底是氮化硅。

附图说明

本发明将很好地理解并且在阅读作为非限制性示例给出的实施例的下列详细描述时其优点更好地表现出来。本说明书涉及附图，其中：

图1示出通过在粉末层上的选择性熔融制造的模具；

图2示出通过在粉末层上的选择性熔融制造并具有叶片模具腔体的模具；

图3示出切成两个部分的图2的模具，其中所述两个部分均是敞开的；

图4示出在此模具中制造的叶片；

图5示出从通过在粉末层上的选择性熔融制造的叶片模型制造的模体；以及

图6示出切成两个部分的此模体，其中所述叶片模型保持固定到这些部分之一。

具体实施方式

参照图1至图4，本说明书以本发明的第一实施例开始。图2示出具有平行六面体形状块体的形式的模具10，该模具具有在块体内部的叶片模具腔体12。

模具通过在粉末层上的选择性熔融制造。在那种技术中，粉末层通过使用高能束、特别是激光束或电子束进行选择性熔融或选择性烧结。更准确地，且如图1中所示，材料1以粉末颗粒的形式提供并且第一层c1沉积在支撑物2上，其中此第一层由高能束3选择性地扫描，以便沿该束在第一层上遵循的路径准确地熔融粉末，使得所熔融的粉末在几乎瞬间固化时形成第一固体模具层10a。通过使用刮板4或类似物，材料1的多个层连续地沉积在第一层上，并且每个层由所述束进行新的扫描，以便形成连续的层并且消除了非熔融的粉末，直到获得图1中所示的块体。例如，随着连续层沉积使得刮板4可以逐步地刮除粉末材料并使其到相邻室6，材料初始地包含在具有在随着连续层构造而逐步地降低的支撑物2上面逐步地上升的底部5a的室5中。

此技术使以极大的精确性三维操作变得可能并且使模具10在模具内部形成有中空模具腔体12。

通过示例的方式，所使用的粉末是粉末基蜡或金属，特别是镍基合金。该类型的束及其动力根据所使用的粉末进行选择。

在图2的示例中，模具作为单个件制造，其中叶片模具腔体负地在其中心部分中。在此类情况下，为了作为可重复使用模具使用，该模具随后沿切割线14切割，以便如图3中所示，形成两个模具部分11a和11b，其中每个模具部分具有半个叶片模具腔体13a和13b。可以理解的是这两个部分可以组装，以便在其之间形成模具腔体，或者分立用于脱模在模具腔体中形成的叶片。图2和图3示出模具具有例如在两个模具部分中的每个中作为两个相应部分15a和15b形成的铸造通道15，以便当两个部分组装时使用于模塑叶片的材料能够引入模具中。

可替代地，立即地以适合于组装以便在其之间形成叶片模具腔体12的两个(或更多个)模具部分的形式制作模具，可以是期望的。

为了获得可重复使用的模具，进行为或金属粉末的选定熔融工艺的粉末材料是优选的，例如镍基高温合金。

蜡类型的材料优选地用于制造失模(lostmold)，所述失模断裂用于使在模具腔体中形成的叶片脱模。

一旦模具可用，制造图4中所示的涡轮叶片是可能的。如果有利地模具是可重复使用的，则多个叶片可以在相同的模具中连续地制作。

为了制造叶片，初始地制作陶瓷基悬浮液、特别是氮化硅的悬浮液。为了此目的，陶瓷颗粒与粘合剂、分散剂和水混合。粘合剂是固化树脂，优选地为单体或乙二醇。在悬浮液已经喷射或铸造到模具中之后，在胶凝期间粘合剂的功能和然后悬浮液的干燥是凝聚陶瓷颗粒作为固体。通过示例的方式，分散剂可以是聚丙烯酸铵。其功能是在干燥之前保持悬浮液中的陶瓷颗粒在水中。

在喷射或铸造到模具中之前，硬化前体添加到悬浮液，以便交联粘合剂。

在糊状悬浮液的状态下的悬浮液引入模具内部的叶片模具腔体中。在硬化前体的作用下，糊状悬浮液胶凝以便形成叶片，所述叶片充分固体(绿色体)以能够从模具抽出。立即地在喷射或铸造悬浮液到模具中之后，模具脱气以便在悬浮液的显著胶凝之前消除来自于悬浮液的任何空气泡。

在抽出之后，半固体的叶片干燥且然后烧结。

参照图5和6，其后是本发明的第二实施例的描述。在此实施例中，是通过使用上述技术由在粉末层上的选择性熔融制造的叶片模型20。如在前述实施例中，用于进行选择性熔融的粉末的材料可以是粉末基蜡或金属，并且所述类型的束及其动力根据所使用的粉末进行选择。

一旦此叶片模型可用，则制造模具就是可能的。为了这样做，并且如图5中所示，叶片模型20放置在外壳22中，并且聚合物基糊剂24围绕叶片模型铸造。此糊剂是特别地硅基聚合物，如聚甲基硅氧烷(pdms)。还含有使模具围绕叶片模型变硬的交联前体。

一旦模具已经达到期望的固体一致性，就切割该模具以便获得两个(或更多个)模具部分21a和21b。这两个部分可以如图6中所示分离，以便能抽出叶片模型20。因此，一旦叶片模型已经抽出，就获得两个(或更多个)模具部分，其可以组装以便在它们之间形成模具腔体12，如当组装时图3中的两个模具部分在它们之间形成模具腔体。与切割模体并行，铸造或喷射通道例如在两个模具部分21a和21b中的每个中相应地制作的两个部分25a和25b中形成。

在以这种方式获得的模具中，如参照第一实施例所述，叶片可以使用陶瓷基悬浮液模塑。至于第一实施例，半固体叶片(绿色体)可以然后从模具抽出、干燥和烧结。

例如，在两个实施例中用于形成叶片的悬浮液可以如下获得(其中给定的值用于确定比例)。

所使用的陶瓷粉末是例如在基准syalon○r050下固体类型的氮化硅基粉末。为了制作125毫升(ml)悬浮液，混合0.5086克(g)的dispex○ra-40分散剂，该分散剂是基于聚丙烯酸铵的。3.75克的nagasechemtexex-810○r树脂添加到混合物，然后是作为粘合剂的乙二醇缩水甘油醚，然后是23克氧化铝研磨珠(例如，具有5.2mm直径的球形珠)，并将混合物搅拌30分钟(min)。连续地添加小量的syalon○r050粉末，并且在每次添加之间激活研磨。例如，23克的syalon○r050粉末通过4小时(h)激活研磨之后添加，然后添加另一个23克的syalon○r050粉末且激活研磨10h，且然后添加4.83克的050粉末并激活研磨2h。在此工艺结束时，筛选悬浮液以便移除研磨珠，并添加硬化前体。例如，前体可以是二度(3-氨基丙烷基)胺(bis(3-aminopropyl)amine)。硬化前体的数量使得树脂与硬化前体的重量比是1比0.23。因此获得准备用于在其中已经形成叶片模具腔体的模具中铸造的悬浮液。

为了制造叶片，悬浮液喷射到模具、例如使用本发明的第一实施例或第二实施例获得的pdms模具中，且然后模具脱气以便消除空气泡。胶凝工艺然后在18℃至22℃周围的环境温度下开始。在24h之后，叶片已经充分地固化，以形成可以脱模的半固体叶片或绿色体。然后通过分离模具或其它使模具断裂执行脱模，其中模具是可重复使用的。在消除喷射注入口之后，半固体叶片转移到烤炉，其中半固体叶片在充分长(例如，24h的量级)以完全干燥叶片的持续时间内受到约40℃的温度。一旦叶片干燥，就对其进行烧结。