CN103506594A - 一种发动机叶片的精密铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机叶片的精密铸造方法，包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤。通过上述工序保证了发动机叶片表面和内部缺陷的良好的消除率，且内部微观组织更加均匀。

Description

一种发动机叶片的精密铸造方法
技术领域
本发明涉及精密铸造技术领域，具体涉及发动机叶片的精密铸造方法。
背景技术
钛合金密度小，比强度高，耐腐蚀，由于该一系列优异的特性，被广泛地应用于航空航天工业、能源工业、海上运输工业等方面。欧洲航天局也曾启动了航空研究计划，就是旨在掌握钛铝基合金航空发动机叶片和燃气轮机叶片。飞机发动机推重比是评价现代飞机发动机的主要指标之一，它对飞机性能有着决定性的作用。当前应用于发动机叶片的时候，较为常见的成型方法为精密铸造方法。采用熔模精密铸造工艺制备TiAl基合金构件，特别是形状复杂的构件，可得到无余量或近无余量的精密复杂构件，大幅度减少金属损耗，提高材料的利用率，减少大量机加工工时，大幅度降低生产成本。
目前使用较多的钛合金精密铸造用型壳，大致可分为：石墨型壳、钨面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳等。但是由于模具形成方式的不足以及铸造过程的参数设计不合理，导致成型后的零件表面和内部缺陷均比较多。
发明内容
本发明的目的在于提出一种发动机叶片的精密铸造方法；
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种发动机叶片的精密铸造方法，包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
其中，所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
其中，所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆30～45s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为350～480℃中保温2.5～3h，然后继续升温为800～850℃，保温2.5～3h，继续升温为1000～1100℃，保温2.5～3h，然后随炉冷却到室温，得到模具；
其中，所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入坩埚中，将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4～8次的冲洗，最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-5～10-3mbar进行熔炼，熔炼完成后保温10～15min，使得原料中的各元素均匀；
其中，所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为380～580℃；
其中，所述离心铸造的步骤为，离心转速为195rpm～385rpm，浇铸时间为6～8s；
其中，所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
其中，所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到900～980℃的模具中，然后在加热炉内加热到1050～1150℃，然后进行离心铸造，离心转速为195rpm～385rpm；
其中，所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
其中，所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
其中，所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为950～990℃，热等静压的压力为100～180MPa，保压时间为3～6小时。
作为优选，所述坩埚为水冷铜坩埚。
作为优选，所述的惰性气体对坩埚熔炼室进行4～8次的冲洗为，先将坩埚熔炼室抽真空至10-5～10-3mbar，然后充入氩气至10～14mbar，然后再抽真空至10-5～10-3mbar，如此反复共4～8次。
作为优选，所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的。
作为优选，所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.8～4.2：1：0.0004～0.001：0.0006～0.0012。
作为优选，所述发动机叶片的材质为钛铝合金，所述钛铝合金的组成按重量百分比为38～42%的铝、3～4.8%的铌、0.2～0.8%的碳，余量为钛和不可避免的杂质。
作为优选，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳和海绵钛。
本发明的效果在于：通过特定的模具制造和设计过程，使得模具符合发动机叶片的特定需求；通过离心铸造参数的设定，使得内部缺陷得到很好的消除；通过二次成型和二次冷却，使得内部组织均匀稳定且使得内部缺陷得到非常好的消除，并且保证了表面缺陷的良好的消除率；热等静压参数的设定使得内部微观组织更加均匀。
具体实施方式
实施例1
包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆35s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为380℃中保温2.8h，然后继续升温为830℃，保温2.8h，继续升温为1050℃，保温2.9h，然后随炉冷却到室温，得到模具；
所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入坩埚中，将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行6次的冲洗，最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-4mbar进行熔炼，熔炼完成后保温12min，使得原料中的各元素均匀；
所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为480℃；
所述离心铸造的步骤为，离心转速为300rpm，浇铸时间为7s；
所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到920℃的模具中，然后在加热炉内加热到1080℃，然后进行离心铸造，离心转速为310rpm；
所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为980℃，热等静压的压力为130MPa，保压时间为4小时。
实施例2：
包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆30～45s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为350～480℃中保温2.5～3h，然后继续升温为800～850℃，保温2.5～3h，继续升温为1000～1100℃，保温2.5～3h，然后随炉冷却到室温，得到模具；所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.9：1：0.0006：0.0008。
所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入水冷铜坩埚中，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳和海绵钛。将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4～8次的冲洗，先将坩埚熔炼室抽真空至10-5～10-3mbar，然后充入氩气至10～14mbar，然后再抽真空至10-5～10-3mbar，如此反复共4～8次。最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-5～10-3mbar进行熔炼，熔炼完成后保温10～15min，使得原料中的各元素均匀；发动机叶片的材质为钛铝合金，所述钛铝合金的组成按重量百分比为39%的铝、3.8%的铌、0.6%的碳，余量为钛和不可避免的杂质。
所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为380～580℃；
所述离心铸造的步骤为，离心转速为195rpm～385rpm，浇铸时间为6～8s；
所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到900～980℃的模具中，然后在加热炉内加热到1050～1150℃，然后进行离心铸造，离心转速为195rpm～385rpm；
所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为950～990℃，热等静压的压力为100～180MPa，保压时间为3～6小时。

Claims (7)

1.一种发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆30～45s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为350～480℃中保温2.5～3h，然后继续升温为800～850℃，保温2.5～3h，继续升温为1000～1100℃，保温2.5～3h，然后随炉冷却到室温，得到模具；
所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入坩埚中，将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4～8次的冲洗，最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-5～10-3mbar进行熔炼，熔炼完成后保温10～15min，使得原料中的各元素均匀；
所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为380～580℃；
所述离心铸造的步骤为，离心转速为195rpm～385rpm，浇铸时间为6～8s；
所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到900～980℃的模具中，然后在加热炉内加热到1050～1150℃，然后进行离心铸造，离心转速为195rpm～385rpm；
所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为950～990℃，热等静压的压力为100～180MPa，保压时间为3～6小时。
2.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述坩埚为水冷铜坩埚。
3.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述的惰性气体对坩埚熔炼室进行4～8次的冲洗为，先将坩埚熔炼室抽真空至10-5～10-3mbar，然后充入氩气至10～14mbar，然后再抽真空至10-5～10-3mbar，如此反复共4～8次。
4.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的。
5.根据权利要求4所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.8～4.2：1：0.0004～0.001：0.0006～0.0012。
6.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述发动机叶片的材质为钛铝合金，所述钛铝合金的组成按重量百分比为38～42%的铝、3～4.8%的铌、0.2～0.8%的碳，余量为钛和不可避免的杂质。
7.根据权利要求6所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳和海绵钛。
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