CN103521704A - 一种叶片的铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叶片的铸造方法，采用精密铸造的方法铸造叶片，其步骤包括模具设计、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，热等静压等。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
技术领域
本发明涉及铸造领域，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叶片的铸造方法；
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种叶片的铸造方法，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；
所述叶片为发动机叶片，其材质为钛铝铌合金，所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为45~48%的铝、5~6.8%的铌、3.1~4.2%的镁、V：1.2~1.5%，Ta：0.002~0.008%、0.10~0.28%的碳，余量为钛和不可避免的杂质；
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，采用现有快速成型工艺进行快速成型，激光烧结逐层烧结直径小于0.1mm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380~500℃中保温2.5~3h，然后继续升温为820~870℃，保温2.5~3h，继续升温为1050~1150℃，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400~610℃；
所述离心铸造的工艺参数为，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910~990℃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。
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，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛。
作为优选，热等静压之后还包括退火步骤，所述退火步骤为将热等静压之后的叶片在退火炉中加热到680~710℃，保温60~180min后，出炉空冷直至室温。
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；通过特定温度和时间的退火处理，使得发动机叶片具有良好的强度和韧性。
具体实施方式
实施例1
叶片的铸造方法，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；
所述叶片为发动机叶片，其材质为钛铝铌合金，所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为46%的铝、5.8%的铌、3.8%的镁、V：1.25%，Ta：0.0028%、0.18%的碳，余量为钛和不可避免的杂质；
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，采用现有快速成型工艺进行快速成型，激光烧结逐层烧结平均直径为0.08mm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480℃中保温2.6h，然后继续升温为850℃，保温2.8h，继续升温为1060℃，保温2.7h，然后随炉冷却到室温，得到模具；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；其重量份比例为3.9：1：0.0008：0.0009；
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（铌铝中间合金）、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛；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6次的冲洗，先将坩埚熔炼室抽真空至10-5mbar，然后充入氩气至12mbar，然后再抽真空至10-5mbar，如此反复共6次；最终保持坩埚熔炼室的真空度为3 x 10-4mbar进行熔炼，熔炼完成后保温14min，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510℃；
所述离心铸造的工艺参数为，离心转速为285rpm，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985℃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355rpm；
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160MPa，保压时间为4.5小时。
实施例2：
叶片的铸造方法，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；
所述叶片为发动机叶片，其材质为钛铝铌合金，所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为48%的铝、5.9%的铌、3.7%的镁、V：1.35%，Ta：0.006%、0.28%的碳，余量为钛和不可避免的杂质；
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，采用现有快速成型工艺进行快速成型，激光烧结逐层烧结平均直径为0.09mm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38s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490℃中保温2.8h，然后继续升温为860℃，保温2.7h，继续升温为1055℃，保温2.8h，然后随炉冷却到室温，得到模具；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；其重量份比例为4.0：1：0.0009：0.0008；
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（铌铝中间合金）、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛；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5次的冲洗，先将坩埚熔炼室抽真空至10-4mbar，然后充入氩气至11mbar，然后再抽真空至10-4mbar，如此反复共5次；最终保持坩埚熔炼室的真空度为5 x 10-4mbar进行熔炼，熔炼完成后保温18min，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520℃；
所述离心铸造的工艺参数为，离心转速为295rpm，浇铸时间为10s；
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995℃的模具中，然后在加热炉内加热到1070℃，然后进行离心铸造，离心转速为365rpm；
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990℃，热等静压的压力为165MPa，保压时间为4.6小时。
实施例3：
叶片的铸造方法，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；
所述叶片为发动机叶片，其材质为钛铝铌合金，所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为45.2%的铝、6.0%的铌、3.9%的镁、V：1.45%，Ta：0.0068%、0.38%的碳，余量为钛和不可避免的杂质；
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，采用现有快速成型工艺进行快速成型，激光烧结逐层烧结平均直径为0.07mm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42s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490℃中保温2.6h，然后继续升温为850℃，保温2.6h，继续升温为1052℃，保温2.6h，然后随炉冷却到室温，得到模具；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；其重量份比例为4.1：1：0.0007：0.0007；
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（铌铝中间合金）、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛；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次的冲洗，先将坩埚熔炼室抽真空至10-4mbar，然后充入氩气至11mbar，然后再抽真空至10-4mbar，如此反复共4次；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19min，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530℃；
所述离心铸造的工艺参数为，离心转速为298rpm，浇铸时间为11s；
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994℃的模具中，然后在加热炉内加热到1072℃，然后进行离心铸造，离心转速为368rpm；
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992℃，热等静压的压力为168MPa，保压时间为4.8小时。
实施例4：
叶片的铸造方法，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；
所述叶片为发动机叶片，其材质为钛铝铌合金，所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为46%的铝、5.8%的铌、3.8%的镁、V：1.35%，Ta：0.0059%、0.18%的碳，余量为钛和不可避免的杂质；
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，采用现有快速成型工艺进行快速成型，激光烧结逐层烧结平均直径为0.08mm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480℃中保温2.6h，然后继续升温为850℃，保温2.8h，继续升温为1060℃，保温2.7h，然后随炉冷却到室温，得到模具；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；其重量份比例为3.9：1：0.0008：0.0009；
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（铌铝中间合金）、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛；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6次的冲洗，先将坩埚熔炼室抽真空至10-5mbar，然后充入氩气至12mbar，然后再抽真空至10-5mbar，如此反复共6次；最终保持坩埚熔炼室的真空度为3 x 10-4mbar进行熔炼，熔炼完成后保温14min，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510℃；
所述离心铸造的工艺参数为，离心转速为285rpm，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985℃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355rpm；
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160MPa，保压时间为4.5小时；
热等静压之后还包括退火步骤，所述退火步骤为将热等静压之后的叶片在退火炉中加热到680~710℃，保温60~180min后，出炉空冷直至室温。
Claims (7)
1.一种叶片的铸造方法，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；
所述叶片为发动机叶片，其材质为钛铝铌合金，所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为45~48%的铝、5~6.8%的铌、3.1~4.2%的镁、V：1.2~1.5%，Ta：0.002~0.008%、0.10~0.28%的碳，余量为钛和不可避免的杂质；
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，采用现有快速成型工艺进行快速成型，激光烧结逐层烧结直径小于0.1mm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380~500℃中保温2.5~3h，然后继续升温为820~870℃，保温2.5~3h，继续升温为1050~1150℃，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400~610℃；
所述离心铸造的工艺参数为，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910~990℃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所述的叶片的铸造方法，其特征在于，所述坩埚为水冷铜坩埚。
3. 根据权利要求1所述的叶片的铸造方法，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所述的叶片的铸造方法，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所述的叶片的铸造方法，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所述的叶片的铸造方法，其特征在于，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛。
7. 根据权利要求1所述的叶片的铸造方法，其特征在于，热等静压之后还包括退火步骤，所述退火步骤为将热等静压之后的叶片在退火炉中加热到680~710℃，保温60~180min后，出炉空冷直至室温。
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