CN103691882A

CN103691882A - 用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件及方法

Info

Publication number: CN103691882A
Application number: CN201310697821.0A
Authority: CN
Inventors: 高海燕; 康茂东; 王俊; 凌李石保; 孙宝德
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Zhongchao Hangyu Precision Casting Technology Co ltd; Zhongchao Hangyu Investment Casting S&t Co
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: CN103691882B

Abstract

本发明提供了一种用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件及方法，所述铸件包括内环和外环，内环和外环为同心圆；为了考察大面积薄壁充型能力的薄板设计，设计不同面厚比的大面积薄板；为了考察热裂倾向的变截面设计，在外环上设计不同厚度变化的台阶；为了考察补缩距离的薄板设计，设计厚度、长度在一定范围变化的薄板；为了考察远距离充型能力的底注式薄板设计，在外环一侧设计不同厚度、不同长度的大面积环形薄板。本发明一次性获得镍基合金的大面积薄壁充型能力，热裂倾向，补缩距离，底注式充型能力等镍基高温合金的综合铸造性能；同时本发明一次性完成浇铸实验既保证了实验条件的一致性又缩短了研发时间。

Description

用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件及方法

技术领域

本发明涉及镍基高温合金领域，具体地，涉及的是一种用于镍基合金铸造性能评价的大型复杂薄壁熔模铸件，以及将该大型复杂薄壁熔模铸件用于镍基高温合金铸造性能评价的方法。

背景技术

镍基高温合金因其具有优良的综合性能，经过几十年的发展，已经广泛的应用于航空、航天、能源和化工等领域，是衡量一个国家材料科学发展水平的重要标志之一，而熔模精密铸造技术生产的铸件因其品质好，尺寸精确已成为飞行器关键零部件制造技术中的一种重要方法。近年来，随着科学技术的进步和节能环保理念的要求，飞行器部件设计的越来越大，越来越复杂，因此要求铸件性能好，重量轻。熔模精密铸件的制造水平已经成为一个国家工业水平的重要标志之一，大力发展大型复杂薄壁铸件受到广泛的重视。然而，传统上在评价铸造性能方面，通常独立研究合金在铸件生产过程中表现出的流动性，收缩性等，如研究大面积薄壁充型能力，变截面热裂倾向等，这种方法费时费力，而且不能反映合金的综合铸造性能，尤其是镍基高温合金在生产大型复杂薄壁熔模铸件过程中的整体铸造性能。

经对现有技术的文献检索发现：申请号为201210141407.7的中国发明专利涉及到一种铸造充型过程可视化评价方法。该专利技术方案是使用计算机对铸件的充型过程进行数值模拟，然后使用高温摄像头对铸件充型过程进行拍摄，利用拍摄结果对模拟结果进行校正，然后基于校正后的模拟结果，可以分析铸造浇不足和冷隔等缺陷，改进铸造工艺，提高铸件质量。但该专利仅能评价合金的充型能力，甚至没有给出实施例，对于充型温度在1500℃以上的镍基高温合金熔模铸造该发明的效果未知。

李剑等在《铸造》（2012年，第61卷，第3期，第304-307页）上发表了“铝合金薄壁件真空吸铸充型能力的研究”，该文中提出了采用不同厚度薄壁铸件研究合金的充型能力，具体方法为：设计了厚度为1mm、2mm、3mm和4mm，宽度为30mm，长度为200mm的一系列薄壁铸件，并通过内浇道连接到同一浇口上，研究了低压铸造和真空吸铸两种铸造条件下，铝合金薄壁铸件的充型能力。其不足在于该方法也仅能评价合金的充型能力，无法评价合金的变截面热裂倾向；因此，该方法无法评价镍基高温合金在生产大型复杂薄壁熔模铸件过程中的整体铸造性能。

王恒林等在《大连理工大学学报》(1998年，第38卷，第2期，第194-197页)上发表了“热裂预测的等效应变判据”，该文中提到根据凝固过程中温度场和应力场、应变场的数值模拟结果，提出了热裂形成的等效应变判据；具体方法为：通过分析铸件的热压力与热应变，得到铸件的等效应变场分布，等效应变最大值处即为热裂处。其不足在于该方法仅能对铸件热裂倾向进行预测，没有涉及到合金大面积薄壁充型能力的评价，故该方法也无法综合评价大型复杂薄壁镍基高温合金铸件的整体铸造性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于镍基合金铸造性能评价的大型复杂薄壁熔模铸件及方法，以达到优化铸件结构设计，有效解决大型复杂薄壁铸件成型困难的问题，同时降低研发成本，缩短研发周期。

根据本发明的一个方面，提供一种用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，所述铸件结构为环套环结构，采用底注式浇注。

所述环套环结构包括内环和外环，所述内环和外环为同心圆，经过圆心设有连接内环和外环的十字形横浇道，该横浇道将内环和外环等分为四个大扇形区域，所述十字形横浇道连接外环的端部均为丫字形结构，四个所述丫字形结构与外环之间构成四个小扇形区域，所述小扇形区域位于上述两个大扇形区域的相邻处，各所述丫字形结构的上部两开口边上设有多个小支柱，其中：

为了考察大面积薄壁充型能力的薄板设计，在所述小支柱之间设有一系列不同长度和厚度的薄板即不同面厚比的大面积薄板，两个所述小支柱之间为一大面积薄板；

为考察热裂倾向的变截面设计，在外环上设计不同厚度变化的台阶；

为考察补缩距离的薄板设计，在所述内环和外环上设有大支柱，所述大支柱上设有厚度、长度变化的补缩薄板；

为考察远距离充型能力的底注式薄板设计，在外环一侧设有不同厚度、不同长度的大面积环形薄板。

优选地，所述小支柱在同一丫字形的上边开口两边成对布置，在同一丫字形结构的同一条边上的所述小支柱之间通过小圆柱连接加固，在两丫字形结构的相邻边上的所述小支柱之间设置所述不同面厚比的大面积薄板。

优选的，所述不同厚度变化的台阶设置于外环上且位于所述外环与所述丫字形结构之间形成的小扇形区域中。更进一步的，每种厚度的台阶设计两组。

优选的，所述外环上设置台阶的位置，同时设有一大支柱，该大支柱上也设置有厚度、长度在一定范围变化的补缩薄板。

优选的，所述环形薄板设置在外环上，且位于两所述丫字形结构的相邻边之间，即位于大扇形区域中且位于小扇形区域外。

优选的，所述十字形横浇道在外环和内环的圆心处，设有一圆柱形直浇道，在浇铸时，该圆柱形直浇道与外置浇口杯连接。

优选的，上述的小支柱、大支柱、台阶、圆柱形直浇道以及各种薄板均位于外环和内环的同一侧面。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于镍基合金铸造性能评价的方法，该方法具体步骤为：

第一步，在真空条件下，镍基高温合金在氧化铝莫来石坩埚中加热熔化，过热至1580-1620℃保温精炼10-20min，降温至1480-1530℃；

第二步，根据本发明中第一方面的铸件结构设计，分结构制作蜡模模具，并压制蜡模和组装蜡模，再按照传统的沾浆淋砂工艺制作陶瓷模壳，陶瓷模壳脱蜡后在温度900-1020℃下，焙烧30-50小时；

第三步，真空浇铸，浇铸时合金液温度1480-1530℃，陶瓷模壳温度900-1020℃，浇注速度20-25kg/s，充型时间10-15s，浇注完毕后，破真空，铸件的小支柱、大支柱和圆柱形直浇道处加入镁粉保温，空冷，清理后得到熔模铸件。

第四步，通过测量清理后的熔模铸件大面积薄板薄壁欠浇面积，获得大面积薄壁欠浇百分比；观察变截面台阶处是否存在热裂纹；制作金相样品，获得补缩薄板薄壁补缩距离数据；查看铸件距离圆柱形直浇道最远位置的大面积环形薄板是否充型良好，有无冷隔现象；从而完成镍基合金铸造性能评价。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明铸件采用重力浇注，熔模精密铸造，一次成型浇铸，本发明一次性获得镍基高温合金的大面积薄壁充型能力，热裂倾向，补缩距离，底注式充型能力等综合铸造性能；同时本发明一次性浇铸既保证了实验条件的一致性又并缩短了研发时间。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明设计铸件的完整结构示意图；

图2为研究大面积薄壁充型能力的薄板图；

图3为研究变截面热裂倾向的台阶图；

图4为研究补缩距离的薄板图；

图5为研究底注式充型的环形薄板图；

图中：内环1，外环2，十字形横浇道3，大扇形区域4，丫字形结构5，小扇形区域6，小支柱7，大面积薄板8，台阶9，大支柱10，补缩薄板11，大面积环形薄板12，小圆柱13，大支柱14，圆柱形直浇道15。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，一种用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件结构示意图，所述铸件结构为环套环结构，包括内环1和外环2，所述内环和外环为同心圆，经过圆心设有连接内环和外环的十字形横浇道3，该横浇道将内环和外环等分为四个大扇形区域4，所述十字形横浇道连接外环的端部均为丫字形结构5，四个所述丫字形结构5与外环2之间构成四个小扇形区域6，所述小扇形区域6位于上述两个大扇形区域4的相邻处，各所述丫字形结构5的上部两开口边上设有多个小支柱7，本实施例中，每个开口边上设有四个小支柱7。其中：

为了考察大面积薄壁充型能力的薄板设计，在所述小支柱7之间设有一系列不同长度和厚度的薄板即不同面厚比的大面积薄板，两个所述小支柱7之间为一大面积薄板8。

为考察热裂倾向的变截面设计，在外环2上设计不同厚度变化的台阶9。

为考察补缩距离的薄板设计，在所述内环1和外环2上设有大支柱10，所述大支柱10上设有厚度、长度变化的补缩薄板11；本实施例中长度为厚度的1到24倍，因厚度有1mm，2mm两种规格，故补缩薄板具体尺寸为1mm到24mm和2mm到48mm共48个补缩薄板。

为考察远距离充型能力的底注式薄板设计，在外环2一侧设有不同厚度、不同长度的大面积环形薄板12。本实施例中，四组大面积环形薄板的长度分别为290mm，315mm，340mm，365mm；具体规格为365mm×100mm×2.5mm；340mm×100mm×2mm；315mm×100mm×1.5mm；290mm×100mm×1mm。

所述小支柱7在同一丫字形结构5的上边开口两边成对布置，在同一丫字形结构5的同一条边上的所述小支柱7之间通过小圆柱13连接加固，在两丫字形结构5的相邻边上的所述小支柱7之间设置所述不同面厚比的大面积薄板8。

所述不同厚度变化的台阶9设置于外环2上且位于所述外环2与所述丫字形结构之间形成的小扇形区域6中，本实施例中每种厚度的台阶9设计两组。

所述外环2上设置台阶9的位置，同时设有一大支柱14，该大支柱14上也设置有厚度、长度在一定范围变化的补缩薄板11。

所述环形薄板12设置在外环2上，且位于两所述丫字形结构的相邻边之间，即位于大扇形区域4中且位于小扇形区域6外。

所述十字形横浇道3在外环2和内环1的圆心处，设有一圆柱形直浇道15，在浇铸时，该圆柱形直浇道15与外置浇口杯连接。

本实施例上述的小支柱7、大支柱14、台阶9、圆柱形直浇道15以及各种薄板8、11、12均位于外环2和内环1的同一侧面。

薄壁铸件的厚度越薄面积越大，一般铸造过程出现的缺陷越多，越难成形合格的铸件，这时认为出现大面积效应。本实施例中，大面积薄壁8的厚度范围是1mm，1.5mm，2mm，2.5mm，3mm；具体规格是290mm×100mm×1mm；290mm×100mm×1.5mm；315mm×100mm×1.5mm；315mm×100mm×2mm；340mm×100mm×2mm；340mm×100mm×2.5mm；365mm×100mm×2.5mm；365mm×100mm×3mm。大面积环形薄板12的厚度范围是1mm，1.5mm，2mm，2.5mm；具体规格是290mm×100mm×1mm；340mm×100mm×2mm；315mm×100mm×1.5mm；365mm×100mm×2.5mm。

实施例2：

本实施例中铸件的具体参数：

两组变截面（台阶）宽度均为40mm，长度为20mm，两组变截面的截面变化比不同，分别为38mm->19mm->9.5mm->5mm->2.5mm；38mm->9.5mm->2.5mm；

四组薄板（考察大面积薄壁充型能力的薄板）的尺寸如表1所示；

外圆周大面积环形薄板尺寸为：365mm×100mm×2.5mm；340mm×100mm×2mm；315mm×100mm×1.5mm；290mm×100mm×1mm；

补缩薄板尺寸高度为100mm，厚度分别为1mm，2mm的薄板，长度分别为其厚度的1-24倍，即1mm->24mm，2mm->48mm。

采用中温型蜡压制蜡模，按图1结构组装，再经过传统的制壳工艺制作陶瓷模壳，模壳制备好后，在脱蜡釜中脱蜡，在焙烧炉中900℃下焙烧50h，在半连续真空感应炉中熔炼K4169镍基高温合金（合金成分如表2所示），合金过热至1600℃后精炼10min，降至浇注温度1500℃后，真空浇注到900℃模壳中，浇注时间11s，浇注完毕后破真空，铸件的小支柱、大支柱和圆柱形直浇道处加入镁粉保温，空冷。实验结果显示290mm×100mm×1mm大面积薄板出现欠浇，欠浇面积百分比为17%；变截面处未发现热裂纹；补缩距离为厚度5.5倍；远距离充型能力良好。

实施例3：

本实施例中铸件的具体参数：

补缩薄板尺寸高度为100mm，厚度分别为1mm，2mm的薄板，长度分别为厚度的1-24倍，即1mm->24mm，2mm->48mm。

采用中温型蜡压制蜡模，按图1结构组装，再经过传统的制壳工艺制作陶瓷模壳，模壳制备好后，在脱蜡釜中脱蜡，在焙烧炉中1000℃下焙烧40h，在半连续真空感应炉中熔炼K4169镍基高温合金（合金成分如表2所示），合金过热至1600℃后精炼15min，降至浇注温度1510℃后，真空浇注到1000℃模壳中，浇注时间13s，浇注完毕后破真空，铸件的小支柱、大支柱和圆柱形直浇道处加入镁粉保温，空冷。实验结果显示290mm×100mm×1mm大面积薄板出现欠浇，欠浇面积百分比为13%；变截面处未发现热裂纹；补缩距离为厚度4.0倍；远距离充型能力良好。

实施例4：

本实施例中铸件的具体参数：

采用中温型蜡压制蜡模，按图1结构组装，再经过传统的制壳工艺制作陶瓷模壳，模壳制备好后，在脱蜡釜中脱蜡，在焙烧炉中1020℃下焙烧30h，在半连续真空感应炉中熔炼K4169镍基高温合金（合金成分如表2所示），合金过热至1600℃后精炼20min，降至浇注温度1530℃后，真空浇注到1020℃模壳中，浇注时间15s，浇注完毕后破真空，铸件的小支柱、大支柱和圆柱形直浇道处加入镁粉保温，空冷。实验结果显示290mm×100mm×1mm大面积薄板出现欠浇，欠浇面积百分比为10%；变截面处未发现热裂纹；补缩距离为厚度5.0倍；远距离充型能力良好。

表1

表2（wt.%）

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，所述铸件结构为环套环结构，所述环套环结构包括内环和外环，所述内环和外环为同心圆，经过圆心设有连接内环和外环的十字形横浇道，该横浇道将内环和外环等分为四个大扇形区域，所述十字形横浇道连接外环的端部均为丫字形结构，四个所述丫字形结构与外环之间构成四个小扇形区域，所述小扇形区域位于上述两个大扇形区域的相邻处，各所述丫字形结构的上部两开口边上设有多个小支柱，其中：

为考察热裂倾向的变截面设计，在外环上设有不同厚度变化的台阶；

2.根据权利要求1所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，所述小支柱在同一丫字形结构的上边开口两边成对布置，在同一丫字形结构的同一条边上的所述小支柱之间通过小圆柱连接加固，在两丫字形结构的相邻边上的所述小支柱之间设置所述不同面厚比的大面积薄板。

3.根据权利要求1所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，所述不同厚度变化的台阶设置于外环上且位于所述外环与所述丫字形结构之间形成的小扇形区域中。

4.根据权利要求3所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，每种厚度的台阶设有两组。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，所述外环上设置台阶的位置，同时设有一大支柱，该大支柱上也设置有厚度、长度在一定范围变化的补缩薄板。

6.根据权利要求1-4任一项所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，所述环形薄板设置在外环上，且位于两所述丫字形结构的相邻边之间，即位于大扇形区域中且位于小扇形区域外。

7.根据权利要求1-4任一项所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件其特征在于，所述十字形横浇道在外环和内环的圆心处，设有一圆柱形直浇道。

8.根据权利要求7所述的用于镍基合金铸造性能评价的复杂薄壁熔模铸件，其特征在于，上述的小支柱、大支柱、台阶、圆柱形直浇道以及各种薄板均位于外环和内环的同一侧面。

9.一种用于镍基合金铸造性能评价的方法，其特征在于，该方法具体步骤为：

第二步，根据权利要求1中铸件结构设计，分结构制作蜡模模具，并压制蜡模和组装蜡模，再按照传统的沾浆淋砂工艺制作陶瓷模壳，陶瓷模壳脱蜡后在温度900-1020℃下，焙烧30-50小时；

第三步，真空浇铸，浇铸时镍基高温合金液温度1480-1530℃，陶瓷模壳温度900-1020℃，浇注速度20-25kg/s，充型时间10-15s，浇注完毕后，破真空，铸件的小支柱、大支柱和圆柱形直浇道处加入镁粉保温，空冷，清理后得到熔模铸件；

第四步，通过测量清理后的熔模铸件大面积薄板薄壁欠浇面积，获得大面积薄壁欠浇百分比；观察变截面台阶处是否存在热裂纹；制作金相样品，获得补缩薄板薄壁补缩距离数据；查看铸件距离圆柱形直浇道最远位置大面积环形薄板是否充型良好，有无冷隔现象；从而完成镍基合金铸造性能评价。