CN100398232C - 一种具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：将散热源与涡轮连成一体制成模壳；装箱后一体浇注成型；冷却后，再将散热源切割掉得到涡轮成品。本发明通过简单的工艺建立起顺序凝固温度梯度，制备了具有双晶组织的整体涡轮，使涡轮叶片部分为定向柱晶，涡轮盘部分为等轴晶。
Description
技术领域：
本发明属于高温合金技术领域，特别涉及高温合金涡轮制备技术，也可用于其他材质叶轮的制备。
背景技术：
随着航空科学技术的进步和发展，对航空发动机的性能要求不断提高，对做为航空发动机核心部分的涡轮的要求也相应提高。涡轮的工作条件是相当恶劣的，其工作叶片同时要承受高温、燃气腐蚀、离心力、热应力、振动和热疲劳的作用，因此要求叶片除应具有良好的抗氧化性、耐腐蚀能力和高的强度外，还应具有良好的耐机械疲劳、热疲劳性能以及足够的塑性和冲击韧性；涡轮盘部分虽然工作温度比工作叶片低，但其应力条件复杂，轮毂和辐板等各部位所受应力、温度、介质作用程度不同，因此要求涡轮盘要有高的屈服强度、抗拉强度和塑性、足够的持久、蠕变强度、低周疲劳强度、良好的耐腐蚀性能和组织稳定性。
通常涡轮的制造工艺是将锻造盘和铸造叶片通过机械加工的工艺装配在一起，这种制造工艺周期长，成本高，装配精度不易保证。而采用整体涡轮制备技术，可大大降低了制造成本，而且避免了榫头装配的应力。通常整体涡轮的组织为等轴晶，其性能还有待提高。定向凝固技术的应用使高温合金的承温能力越上了一个新台阶，在整体涡轮制造过程中，如果能够使叶片部分形成定向组织，涡轮盘部分为等轴晶的双晶组织，涡轮将具有更高的承温能力，进而可以提高整体涡轮的性能。
发明内容：
本发明的目的是通过简单可行、低成本的工艺技术制备具有双晶组织结构的涡轮。
本发明提供了一种具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：
--将散热源与涡轮连成一体制成模壳；
--装箱后一体浇注成型；
--冷却后，再将散热源切割掉得到涡轮成品。
本发明具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺中，所述的散热源为两个圆柱体，分别置于涡轮的上下两端。散热源的直径最好与涡轮外径相等或不超过涡轮外径的10％，厚度为10～50毫米，散热源与涡轮上下最外端面的距离为5～20毫米。
本发明具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺中，用于制备上述双晶组织的整体涡轮时，为了获得理想的结果，在进行散热源和涡轮的一体浇注时，散热源处的模壳外端面最好要放置保温石棉，厚度为10～50毫米。涡轮叶片模壳间隙要均匀填充满石棉，涡轮叶片端部与砂箱间填充满型砂。
本发明具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺中，所述模壳的制备过程是，将涡轮、两个散热源和浇冒口的蜡模组合在一起，整体涂壳后进行烧结，最后得到整体模壳。
本发明具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺中，所述散热源和涡轮整体化模壳的材料可以为刚玉粉或锆英石，粘结剂为硅溶胶或硅酸乙酯，型壳焙烧温度为800℃～1200℃，烧结时间30分钟～3小时。
本发明具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺中，所述散热源和涡轮的材质为镍基高温合金、铁基高温合金、钴基高温合金、铝合金、不锈钢或钛合金。
本发明是通过简单的工艺建立起顺序凝固温度梯度，制备了具有双晶组织的整体涡轮，使涡轮叶片部分为定向柱晶，涡轮盘部分为等轴晶。
本发明的工作原理是：散热源散发的热量向涡轮轴向方向传播，对涡轮起加热作用，从而使涡轮盘轴向具有较小温度梯度；同时通过在涡轮叶片径向边缘添置型砂或钢砂、叶片间填充满保温石棉，使热量被强制从涡轮心部流向叶片端部，从而在涡轮径向方向建立起较大温度梯度；上述两个温度场最终使叶片在尖端部形核并向涡轮心部生长形成拄状晶。而在凝固后期，厚大的涡轮盘部分由于不存在明显的温度梯度，则形成等轴晶。
本发明工艺的散热源与涡轮在制模时可同时成型、同时浇注，也可同时成型先浇注散热源后再迅速浇注涡轮。
本发明工艺的浇注温度为1400℃-1600℃，模壳预热温度为800℃-1200℃。
本发明工艺的涡轮材质为镍基合金，也可使用铝合金，钛合金、铁基合金、钴基合金或不锈钢。
附图说明：
图1为装箱图，图中1为浇冒口、2为石棉、3为散热源、4为涡轮、5为型砂；
图2为K441双晶涡轮照片；
图3为DZ125L双晶涡轮照片；
图4为K24双晶涡轮照片。
具体实施方式：
实施例1
散热源与涡轮整体组合后制成蜡模，散热源厚度为20毫米，直径为涡轮外径的110％，焊接好浇注系统进入制壳工序，模壳材料采用刚玉和硅溶胶制备，待模壳制好后，为了提高模壳的强度在焙烧炉内焙烧，焙烧温度为900℃，焙烧时间为1小时。按装箱图1装箱，叶片间均匀塞满保温石棉，叶片尖部与砂箱间填充型砂，模壳及砂箱一起预热，预热温度为980℃，时间2小时，浇注合金采用K441合金，采用真空感应炉冶炼，在1580℃浇注，浇注后静止30分钟后，出炉，冷却后清理，切割掉散热源和浇注系统，进入下到工序，喷砂处理后进行修整，最后的成品见图2。
实施例2
散热源与涡轮整体组合后制成蜡模，散热源厚度为40毫米，直径为涡轮外径的100％，焊接好浇注系统进入制壳工序，模壳材料采用刚玉和硅溶胶制备，待模壳制好后进行焙烧，焙烧温度为980℃，焙烧时间为2小时。按装箱图1装箱，叶片间均匀塞满保温石棉，叶片尖部与砂箱间填充型砂，模壳及砂箱一起预热，预热温度为1000℃，时间2小时，浇注合金采用DZ125L合金，采用真空感应炉冶炼，在1550℃浇注，浇注后静止30分钟后，出炉，冷却后清理，切割掉散热源和浇注系统，进入下到工序，喷砂处理后进行修整，最后的成品见图3。
实施例3
散热源与涡轮整体组合后制成蜡模，散热源厚度为50毫米，直径为涡轮外径的105％，焊接好浇注系统进入制壳工序，模壳材料采用刚玉和硅溶胶制备，待模壳制好后进行焙烧，焙烧温度为980℃，焙烧时间为3小时。按装箱图1装箱，叶片间均匀塞满保温石棉，叶片尖部与砂箱间填充型砂，模壳及砂箱一起预热，预热温度为1000℃，时间2小时，浇注合金采用K24合金，采用真空感应炉冶炼，在1560℃浇注，浇注后静止30分钟后，出炉，冷却后清理，切割掉散热源和浇注系统，进入下到工序，喷砂处理后进行修整，最后的成品见图4。
Claims (9)
1.一种具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：
——将散热源与涡轮连成一体制成模壳；
——装箱后一体浇注成型；
——冷却后，再将散热源切割掉得到涡轮成品。
2.按照权利要求1所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：
所述的散热源为两个圆柱体，分别置于涡轮的上下两端。
3.按照权利要求2所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：
所述散热源的直径与涡轮外径相等或不超过涡轮外径的10％，厚度为10～100毫米，散热源与涡轮上下最外端面的距离为5～20毫米。
4.按照权利要求3所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：在进行散热源和涡轮的一体浇注时，散热源处的模壳外端面要放置保温石棉，厚度为10～50毫米。
5.按照权利要求3或4所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：在进行散热源与涡轮的一体浇注时，涡轮叶片模壳间隙要均匀填充满石棉，涡轮叶片端部与砂箱间填充满型砂。
6.按照权利要求2所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：所述模壳的制备过程是，将涡轮、两个散热源和浇冒口的蜡模组合在一起，整体涂壳后进行烧结，最后得到整体模壳。
7.按照权利要求6所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：所述散热源和涡轮整体化模壳的材料为刚玉粉或锆英石，粘结剂为硅酸乙酯或硅溶胶。
8.按照权利要求7所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：所述整体模壳的烧结温度为800℃～1200℃，烧结时间30分钟～3小时。
9.按照权利要求1所述具有双晶组织结构的整体涡轮的制备工艺，其特征在于：所述散热源和涡轮的材质为镍基高温合金、铁基高温合金、钴基高温合金、铝合金、不锈钢或钛合金。
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