CN102019354B - 带冠超薄细长叶片的定向凝固方法 - Google Patents

带冠超薄细长叶片的定向凝固方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及精密铸造技术领域，具体涉及一种带冠超薄细长叶片的定向凝固方法。技术方案是：首先是蜡模的制造及修整，然后将蜡模组成浇注后进行涂料，然后将涂料后的浇注系统蜡模放入高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，脱蜡3小时后，形成浇注系统母型壳，再将母型壳装入炉内，制成浇注系统型壳；最后将型壳置于结晶器表面，型壳底面同结晶器表面接触紧密、对准中心、无缝隙后开始浇注，再分段拉晶；定向凝固后型壳温度降至1000℃后出炉。本发明突破了常用的叶尖引晶方式及匀速拉晶方法，采用榫头端引晶和变速拉晶，生产的带冠超薄细长叶片晶粒无斜晶、断晶情况发生，叶片表面的疏松和裂纹明显减少，叶片质量大幅度提高，叶片叶身不再出现扭曲变形。

Description

带冠超薄细长叶片的定向凝固方法
技术领域
本发明涉及精密铸造技术领域，具体涉及一种带冠超薄细长叶片的定向凝固方法。
背景技术
在航空发动机叶片的生产中应用定向凝固方法能得到单方向生长的柱状晶甚至单晶，基本消除了垂直于主应力轴的横向晶界，并减少了叶片偏析、疏松和含有晶界碳化物等缺陷。与普通铸造方法获得的铸件相比，叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高，使叶片的冲击韧性和热强性得到显著改善，较大地提高了叶片的单向力学性能。
由于高温合金叶片结构复杂，制模、制壳、熔注参数和浇注系统方案对叶片铸件的质量影响很大，其中浇注系统是否合理是影响叶片的合格率的主要因素之一，与等轴晶的浇注系统主要考虑的是怎样补缩不同，定向凝固的浇注系统主要考虑的是如何引晶以及引晶的速度。不带冠定向叶片常将引晶段选择在叶尖部位，并采用匀速引晶，如带冠超薄细长叶片的定向凝固也采用这种引晶工艺，叶片中的晶粒会出现斜晶、断晶的情况，导致叶片表面出现疏松和裂纹，叶片叶身也会出现扭曲变形。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种带冠超薄细长叶片的定向凝固方法，制备出表面质量及性能更好的带冠超薄细长叶片。
本发明的技术方案按以下工艺步骤进行：
（1）蜡模的制造：选取蜡料，在温度为65～75℃，压注压力为1.5～2.5MPa，保压时间为30～40s的条件下压制成叶片蜡模后，冷却1小时；
（2）蜡模修整：检查叶片蜡模表面，修正蜡模的裂纹、气泡、缺肉和变形缺陷；
（3）浇注系统设计：叶片蜡模榫头向下，均匀粘结在底盘同一圆周上，各叶片蜡模排气边朝向中柱管，叶冠端的两封严齿处粘结浇冒口，浇冒口通过浇道与上圆盘连接，上圆盘与浇口杯连接，形成浇注系统蜡模；
（4）浇注系统型壳制备：清洗浇注系统蜡模后进行涂料，然后将涂料后的浇注系统蜡模放入高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，脱蜡温度100℃，脱蜡压力0.6～0.7Mpa，保压10～15min，脱蜡时间20～30min，脱蜡3小时后，形成浇注系统母型壳，再将母型壳装入炉内，入炉温度低于300℃，随炉升至800±15℃，保温40min，然后升温至900±15℃，保温50min，最后升温至930±15℃，保温30min后，随炉降温到450℃，打开炉门降温至100℃即可出炉，制成浇注系统型壳；
（5）浇注成型：先用压缩空气清理浇注系统型壳内腔和底面，将型壳置于结晶器表面，型壳底面同结晶器表面接触紧密、对准中心、无缝隙后开始浇注，浇注温度1500～1520℃，浇注5～20s，浇注后型壳静置20～40s后，分段拉晶；定向凝固后型壳温度降至1000℃后出炉；
所述的带冠超薄细长叶片的长度为91～183mm，厚度为1.2～4mm；
所述的涂料组成按重量百分比为90%叙永土，10%碳酸钙配置，然后过270目筛后在400～1500℃焙烧，再进行46～48h球磨；
所述的步骤（5）中的分段拉晶是当叶片长度为91～123mm时，分两段拉晶，第一段拉晶高度为0～120mm，抽拉速度为5.0～5.5mm/min，第二段拉晶高度为120～280mm时，抽拉速度为6 mm/min；当叶片长度为124～157.1mm时，分三段拉晶，第一段拉晶高度为0～50mm，抽拉速度为5.0mm/min，第二段拉晶高度为50～200mm，抽拉速度为6～6.5 mm/min，第三段拉晶高度为200～380mm，抽拉速度为6.5 mm/min。
与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：
本发明突破了常用的叶尖引晶方式及匀速拉晶方法，采用榫头端引晶和变速拉晶，生产的带冠超薄细长叶片晶粒无斜晶、断晶情况发生，叶片表面的疏松和裂纹明显减少，叶片质量大幅度提高，叶片叶身不再出现扭曲变形，该方法进一步扩展应用到其它型号发动机及民品燃机的生产过程中，产生的经济效益更大。
附图说明
图1 浇注系统主视图；
图2去除浇口杯浇注系统俯视图；
图3带冠超薄细长叶片叶型示意图；
其中1引晶段，2、3封严齿处浇冒口，4浇口杯，5Ф30mm的中柱管，6Ф140mm上圆盘，7Ф250mm底盘，8连接封严齿处浇冒口与上圆盘的浇道，9叶身最大厚度，10前缘小圆半径，11后缘小圆半径。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例：
某机低压涡轮一至四级工作叶片为带冠超薄细长叶片，采用了本发明的定向凝固方法成型，材料为DZ417G合金；
实施例1
低压涡轮一级工作叶片的制备，低压涡轮一级工作叶片全长91～97mm，叶身长度范围65～74mm，弦宽范围16～20mm，叶身最大厚度范围2.08～3.05mm，前缘小圆半径范围0.3～0.6mm，后缘小圆半径范围0.3～0.5mm，具体工艺步骤为：
（1）蜡模的制造：模料采用美国产成品蜡料，牌号为F28-44B，蜡模制造工艺参数为：模料温度65℃，压注压力1.5MPa，保压时间30s，蜡模压制后放入搪瓷盘中，冷却1小时；
（2）蜡模修整：检查蜡模表面，用修补蜡修正蜡模的裂纹、气泡、缺肉、变形缺陷；
（3）浇注系统设计：叶片蜡模榫头向下，均匀粘结在底盘同一圆周上，各叶片蜡模排气边朝向中柱管，叶冠端的两封严齿处粘结浇冒口，浇冒口通过浇道与上圆盘连接，上圆盘与浇口杯连接，形成浇注系统蜡模；
（4）型壳的制造：清洗组合蜡模后进行涂料，涂料的组成按重量百分比为90%叙永土：10%碳酸钙，过270目筛后在400℃焙烧，球磨时间46h；
（5）脱蜡：将型壳浇口杯朝下装入脱蜡釜内的格栅上，关闭釜门，扳动手柄，给前腔送气，并保证前腔压力为0.5MPa，保压10min，打开放蜡阀，使蜡注入接蜡盘中，脱蜡时间为20min，脱蜡完毕后，放掉前腔蒸汽，取出模壳；
（6）型壳焙烧：脱蜡3小时后，将型壳装入炉内，入炉温度低于300℃，随炉升至785℃，保温40min，然后升温至885℃，保温50min，最后升温至915℃，保温30min后随炉降温到450℃，打开炉门降温至100℃即可出炉；
（7）浇注成型：先用压缩空气清理型壳内腔和底面后，将型壳置于结晶器表面，型壳底面应同结晶器表面接触紧密、对准中心、无缝隙后开始浇注，浇注温度1500℃，浇注5s，浇注后型壳静置20～40s后开始拉晶，拉晶高度为250mm，其中0～100mm抽拉速度为5.0mm/min，100～250mm抽拉速度为6.0mm/min，定向凝固后型壳温度降至1000℃后出炉。
实施例2
制备的叶片低压涡轮二级工作叶片全长范围116～124mm，叶身长度范围97～105mm，弦宽范围19～22mm，叶身最大厚度范围1.2～3.5mm，前缘小圆半径范围0.3～0.6mm，后缘小圆半径范围0.3～0.5mm，采用的其他工艺步骤及参数与实施例1相同，不同的参数为：定向凝固过程中，选择浇注温度为1515℃，浇注时间为15s，拉晶高度为280mm，其中0～120mm抽拉速度为5.5mm/min，120～280mm抽拉速度为6.0mm/min。
实施例3
低压涡轮三级工作叶片的制备，全长范围153.1～157.1mm，叶身长度范围129.5～137.8mm，弦宽范围21～23.5mm，具体工艺步骤为：
（1）蜡模的制造：模料采用美国产成品蜡料，牌号为F28-44B，蜡模制造工艺参数为：模料温度75℃，压注压力2.5MPa，保压时间40s，蜡模压制后放入搪瓷盘中，冷却1小时；
（2）蜡模修整：检查蜡模表面，用修补蜡修正蜡模的裂纹、气泡、缺肉、变形缺陷；
（3）浇注系统设计：叶片蜡模榫头向下，均匀粘结在底盘同一圆周上，各叶片蜡模排气边朝向中柱管，叶冠端的两封严齿处粘结浇冒口，浇冒口通过浇道与上圆盘连接，上圆盘与浇口杯连接，形成浇注系统蜡模；
（4）型壳的制造：清洗组合蜡模后进行涂料，涂料的组成按重量百分比为90%叙永土：10%碳酸钙，过270目筛后在1500℃焙烧，球磨时间48h；
（5）脱蜡：将型壳浇口杯朝下装入脱蜡釜内的格栅上，关闭釜门，扳动手柄，给前腔送气，并保证前腔压力为0.6Mpa，保压15min，打开放蜡阀，使蜡注入接蜡盘中，脱蜡时间为30min，脱蜡完毕后，放掉前腔蒸汽，取出模壳；
（6）型壳焙烧：脱蜡3小时后，将型壳装入炉内，入炉温度低于300℃，随炉升至815℃，保温40min，然后升温至915℃，保温50min，最后升温至945℃，保温30min后随炉降温到450℃，打开炉门降温至100℃即可出炉；
（7）浇注成型：先用压缩空气清理型壳内腔和底面后，将型壳置于结晶器表面，型壳底面应同结晶器表面接触紧密、对准中心、无缝隙后开始浇注，浇注温度1520℃，浇注时间15s，浇注后型壳静置40s后开始拉晶，拉晶高度为300mm，其中0～50mm抽拉速度为5.0mm/min，50～200mm抽拉速度为6.0mm/min，200～300mm抽拉速度为6.5mm/min，定向凝固后型壳温度降至1000℃后出炉。
实施例4
制备的低压涡轮四级工作叶片全长约183mm，叶身长度约163mm，弦宽范围20～25mm，采用的其他工艺步骤和参数与实施例3相同，不同的是在定向凝固过程中，选择浇注温度为1525℃，浇注时间为15～20s，拉晶高度为380mm，其中0～50mm抽拉速度为5.0mm/min，50～300mm抽拉速度为6.0mm/min，300～380mm抽拉速度为6.5mm/min。

Claims (2)

1.一种带冠超薄细长叶片的定向凝固方法，按以下步骤进行：
（1）蜡模的制造：选取蜡料，在温度为65～75℃，压注压力为1.5～2.5MPa，保压时间为30～40s的条件下压制成叶片蜡模后，冷却1小时；
（2）蜡模修整：检查叶片蜡模表面，修正蜡模的裂纹、气泡、缺肉和变形缺陷；
（3）浇注系统设计：叶片蜡模榫头向下，均匀粘结在底盘同一圆周上，各叶片蜡模排气边朝向中柱管，叶冠端的两封严齿处粘结浇冒口，浇冒口通过浇道与上圆盘连接，上圆盘与浇口杯连接，形成浇注系统蜡模；
（4）浇注系统型壳制备：清洗浇注系统蜡模后进行涂料，然后将涂料后的浇注系统蜡模放入高压蒸汽脱蜡釜中脱蜡，脱蜡温度100℃，脱蜡压力0.6～0.7Mpa，保压10～15min，脱蜡时间20～30min，脱蜡3小时后，形成浇注系统母型壳，再将母型壳装入炉内，入炉温度低于300℃，随炉升至800±15℃，保温40min，然后升温至900±15℃，保温50min，最后升温至930±15℃，保温30min后，随炉降温到450℃，打开炉门降温至100℃即可出炉，制成浇注系统型壳；
（5）浇注成型：先用压缩空气清理浇注系统型壳内腔和底面，将型壳置于结晶器表面，型壳底面同结晶器表面接触紧密、对准中心、无缝隙后开始浇注，浇注温度1500～1520℃，浇注5～20s，浇注后型壳静置20～40s后，分段拉晶；定向凝固后型壳温度降至1000℃后出炉，所述的带冠超薄细长叶片的长度为91～183mm，厚度为1.2～4mm。
2.根据权利要求1所述的一种带冠超薄细长叶片的定向凝固方法，其特征在于所述的步骤（5）中的分段拉晶是当叶片长度为91～123mm时，分两段拉晶，第一段拉晶高度为0～120mm，抽拉速度为5.0～5.5mm/min，第二段拉晶高度为120～280mm，抽拉速度为6 mm/min；当叶片长度为124～157.1mm时，分三段拉晶，第一段拉晶高度为0～50mm，抽拉速度为5.0mm/min，第二段拉晶高度为50～200mm，抽拉速度为6～6.5 mm/min，第三段拉晶高度为200～380mm，抽拉速度为6.5 mm/min。
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