CN104353784B - 一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法，属航空发动机复杂空腔结构件精密铸造技术领域。按照以下步骤进行：(1)蜡模制造(2)蜡模浇注系统组合方案：浇注系统组合方案采取侧注式，每组二件对称分布。(3)铸件的真空熔注包括装箱工艺和浇注工艺：采取保温毡预热的装箱方式；确定了合理的精炼温度、精炼时间、浇注温度和浇注速度。本发明对型壳采取保温毡预热的装箱方式，并且确定了型壳预热温度范围。根据合金充型与凝固的规律，选择合适的熔注设备，制定了真空熔注工艺，确定了合理的精炼温度、精炼时间、浇注温度和浇注速度，铸件成型率达到100％，并有效解决了铸件疏松等缺陷，铸件的合格率明显提升。
Description
技术领域
本发明属航空发动机复杂空腔结构件精密铸造技术领域，具体涉及一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法。
背景技术
骨架为某航空发动机的重要零件。骨架铸件外廓尺寸长约300mm，最小壁厚为3mm,铸件厚薄悬殊，热节部位较多，内腔结构复杂，需由多个可溶型芯和陶瓷型芯共同形成。该件属于复杂、空心、薄壁异型结构件，在铸造过程中易产生疏松等缺陷，铸造工艺难度极大。浇注系统组合方案设计以及熔注工艺参数的优化，对骨架铸件的冶金质量的改善起到积极的促进作用。为满足研制生产进度需求，解决骨架铸件的成形问题和疏松缺陷，开展了骨架铸件的研制工作，并同时提升此类零件的精铸技术水平。
发明内容
针对上述问题，本发明根据骨架铸件的结构特点，通过浇注系统组合方案设计、熔铸工艺技术，解决了疏松缺陷，提高了铸造合格率，降低了骨架的制造成本。该项技术的成功应用，对于提升骨架的工艺水平，并不断满足研制生产需求，有着重要的意义。
本发明一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法，按照以下步骤进行：
(1)蜡模制造
根据铸件的形状进行蜡模制造，铸件的内腔为复杂的空心结构，压制蜡模时由3～6个型芯组合后共同形成，每个蜡件需准备好1～3个聚乙二醇(尿素芯)可溶型芯和1～3个陶瓷型芯；高压压蜡机制模的工艺参数为：保压时间：120s～150s，压注压力：1.4MPa～1.6MPa，蜡料温度：66℃～72℃；压制好的蜡模置于盛净水的槽中溶掉聚乙二醇型芯；每隔6h～8h换一次水；
(2)蜡模浇注系统组合方案
根据浇注系统的设计原则与该铸件的结构特点，利用计算机模拟内浇口大小、方向、位置、数量等从而摸索出内浇口对铸件补缩的影响，浇注系统组合方案采取侧注式，每组二件对称分布。
所述该浇注系统由1个浇口杯、1个直浇道、8个横浇道、8个过渡横浇道、厚大部位的16个冒口、下弧面上的2个成形内浇口、2个出气孔组成；2个成形内浇口位于下弧面上热节处；直浇道与浇口杯连接，横浇道通过过渡横浇道连接到直浇道上，16个冒口分别粘在图示位置蜡模对应的热节部位后与横浇道焊接在一起，下弧面上的2个成形内浇口粘在下弧面图示位置热节处与直浇道焊接在一起，最后在浇口杯与横浇道之间连接出气孔。
(3)铸件的真空熔注
装箱工艺：型壳预热采取包保温毡，保温毡厚15mm。预热前，砂箱底部垫两层保温毡，对型壳浇注系统横浇道部位用一层保温毡包裹后整个型壳再用二层保温毡包裹，浇口杯部位包裹严实后将型壳竖立放入砂箱内，在高温炉中型壳预热温度为980℃～1120℃，保温时间为2h～8h；
浇注工艺：骨架铸件采用的母合金材料为K424合金，浇注设备采用50kg真空炉；为了控制缺陷，对浇注参数有严格的要求，采用精炼温度为1600℃±10℃，精炼时间为2min～3min，浇注温度为1440℃～1550℃，浇注速度控制在6s～10s以内；为了减少型壳温度与浇注温度差，要求从型壳入真空炉到浇注必须在5～6分钟内完成，浇注5min后破真空取铸件，取出的铸件组室温冷却12h后进行脱壳处理。
本发明根据铸件的结构特点，蜡模的浇注系统组合方案对铸件冶金质量有很大影响，浇注系统的合理与否直接影响铸件的合格率。根据浇注系统的设计原则与该铸件的结构特点，利用计算机模拟内浇口大小、方向、位置、数量等从而摸索出内浇口对铸件补缩的影响，且通过生产条件下的工艺试验，反复修改定型，确定出对铸件裂纹、疏松有一定控制方法的组合方案，该浇注系统组合方案采取侧注式，每组二件对称分布，并且此方案已设计成型的浇注系统，极大地提高了生产效率。
本发明对型壳采取保温毡预热的装箱方式，并且确定了型壳预热温度范围。根据合金充型与凝固的规律，选择合适的熔注设备，制定了真空熔注工艺，确定了合理的精炼温度、精炼时间、浇注温度和浇注速度，铸件成型率达到100％，并有效解决了铸件疏松等缺陷，铸件的合格率明显提升。
采用本发明方法生产的骨架铸件组织及性能均满足设计图纸和技术条件要求，在实际生产中铸件成型率100％，铸件合格率最高可达90％以上，可得到高质量、高成品率的骨架铸件，并对精铸更加复杂的大型空心结构件提供技术支持。
采用本发明后，铸件充型成型率100％，疏松缺陷率控制在10％以下,取得了较好的效果。该项技术的应用，极大地提高了骨架的铸造合格率，为科研生产提供了技术保证。而且此方法已经推广应用到所有型号骨架的研制生产中，创造了经济效益70余万元。
附图说明
图1为空腔复杂薄壁结构件骨架铸件简图；
图2为骨架铸件疏松等冶金缺陷易产生部位示意图，其中方框区域是疏松易出现部位。由于铸件不允许补焊，浇注后缺陷直径超标即报废；
图3为带有6个型芯的蜡件UG型，
图4为浇注系统组合方案；
图5为真空熔注工艺曲线；
图6为已推广应用的其它型号骨架；
图7为已推广应用的其它型号骨架；
其中：1浇口杯、2直浇道、3横浇道、4过渡横浇道、5成形内浇口、6冒口1、7冒口2、8冒口3、9冒口4、10出气孔、11蜡模、12陶瓷型芯1、13聚乙二醇型芯1、14聚乙二醇型芯2、15陶瓷型芯2、16陶瓷型芯3、17聚乙二醇型芯3。
具体实施方式
实施例1
铸件如图1所示本身热节较多，铸造工艺难度较大，如图2所示，骨架铸件疏松等冶金缺陷易产生部位为方框区域由于铸件不允许补焊，浇注后缺陷直径超标即报废；铸件的内腔为复杂的空心结构，压制蜡模时由6个型芯组合后共同形成，如图3所示,开展骨架铸件的精铸工艺研究，确定合适的浇注系统组合方案如图4所示及浇注工艺如图5所示，研制出高品质的骨架精铸件。
本发明一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法，按照以下步骤进行：
(1)蜡模制造
合理的制模参数是保证压制高质量熔模的必要条件。根据铸件的形状进行蜡模制造，铸件的内腔为复杂的空心结构，压制蜡模时由6个型芯组合后共同形成，每个蜡件需准备好3个聚乙二醇(尿素芯)可溶型芯和3个陶瓷型芯；
高压压蜡机制模的工艺参数为：保压时间：150s，压注压力：1.6MPa，蜡料温度：72℃；
压制好的蜡模置于盛净水的槽中溶掉聚乙二醇型芯；每隔6h～8h换一次水；
(2)蜡模浇注系统组合方案
根据浇注系统的设计原则与该铸件的结构特点，利用计算机模拟内浇口大小、方向、位置、数量等从而摸索出内浇口对铸件补缩的影响，浇注系统组合方案采取侧注式，每组二件对称分布。
所述该浇注系统由1个浇口杯、1个直浇道、8个横浇道、8个过渡横浇道、厚大部位的16个冒口、下弧面上的2个成形内浇口、2个出气孔组成；2个成形内浇口位于下弧面上热节处；直浇道2与浇口杯1连接，横浇道3通过过渡横浇道4连接到直浇道2上，16个冒口分别粘在图示位置蜡模对应的热节部位后与横浇道3焊接在一起，下弧面上的2个成形内浇口5粘在下弧面图示位置热节处与直浇道2焊接在一起，最后在浇口杯1与横浇道3之间连接出气孔10。
本实施例中专用浇口杯高约70mm；直浇道尺寸为380mm×25mm×45mm；横浇道尺寸为133mm×25mm×25mm、过渡横浇道尺寸为38mm×25mm×25mm；厚大部位的内浇口形状为高20mm～30mm的圆锥台，小圆尺寸为Ф15mm～Ф19mm,大圆尺寸为Ф22mm～Ф24mm；出气孔尺寸为113mm×6mm×6mm；2个成形内浇口位于下弧面上热节处。
3)铸件的真空熔注
装箱工艺：型壳预热采取包保温毡，预热前，对型壳浇注系统横浇道部位用一层保温毡包裹后整个型壳再用二层保温毡包裹，砂箱底部垫两层保温毡，浇口杯部位包裹严实，在高温炉中型壳预热温度为1120℃±10℃，保温时间为4h；
浇注工艺：骨架铸件采用的母合金材料为K424合金，浇注设备采用50kg真空炉；为了控制缺陷，对浇注参数有严格的要求，采用精炼温度为1600℃±10℃，精炼时间为3min，浇注温度为1550℃±10℃，浇注速度控制在10s以内；为了减少型壳温度与浇注温度差，要求从型壳入真空炉到浇注必须在6分钟内完成，浇注5min后破真空取铸件，取出的铸件组室温冷却12h后进行脱壳处理。
采用上述方法生产的骨架铸件组织及性能均满足设计图纸和技术条件要求，在实际生产中铸件成型率100％，铸件合格率最高可达90％以上，可得到高质量、高成品率的骨架铸件，并对精铸更加复杂的大型空心结构件提供技术支持。
实施例2
实施例2与实施例1的方法基本相同，零件如图6所示，根据零件的大小调整浇注系统的尺寸，不同点在于：
(1)蜡模制造：根据铸件的形状进行蜡模制造；压制蜡模时由3个型芯组合后共同形成，每个蜡件需准备好1个聚乙二醇(尿素芯)可溶型芯和2个陶瓷型芯；高压压蜡机制模的工艺参数为：保压时间150s，压注压力1.4MPa，蜡料温度68℃；
(3)铸件的真空熔注
装箱工艺：在高温炉中型壳预热温度为980℃±10℃，保温时间为3h；
浇注工艺：骨架铸件采用的母合金材料为K424合金，浇注设备采用50kg真空炉；为了控制缺陷，对浇注参数有严格的要求，采用精炼温度为1600℃±10℃，精炼时间为2.5min，浇注温度为1500℃±10℃，浇注速度控制在8s以内；为了减少型壳温度与浇注温度差，要求从型壳入真空炉到浇注必须在5分钟内完成，浇注5min后破真空取铸件，取出的铸件组室温冷却12h后进行脱壳处理。
实施例3
实施例3与实施例1的方法基本相同，零件如图7所示，根据零件的大小调整浇注系统的尺寸，不同点在于：
(1)蜡模制造：根据铸件的形状进行蜡模制造；压制蜡模时由3个型芯组合后共同形成，每个蜡件需准备好1个聚乙二醇(尿素芯)可溶型芯和2个陶瓷型芯；
高压压蜡机制模的工艺参数：保压时间为120s，压注压力为1.5MPa，蜡料温度为66℃；
(3)铸件的真空熔注
装箱工艺：在高温炉中型壳预热温度为1100℃±10℃，保温时间为4h；
浇注工艺：骨架铸件采用的母合金材料为K424合金，浇注设备采用50kg真空炉；为了控制缺陷，对浇注参数有严格的要求，采用精炼温度为1600℃±10℃，精炼时间为2min，浇注温度为1530℃±10℃，浇注速度控制在6s以内；为了减少型壳温度与浇注温度差，要求从型壳入真空炉到浇注必须在5分钟内完成，浇注5min后破真空取铸件，取出的铸件组室温冷却12h后进行脱壳处理。
Claims (2)
1.一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)蜡模制造
根据铸件的形状进行蜡模制造，铸件的内腔为复杂的空心结构，压制蜡模时由3～6个型芯组合后共同形成，每个蜡件需准备好1～3个聚乙二醇可溶型芯和1～3个陶瓷型芯；高压压蜡机制模的工艺参数为：保压时间120s～150s，压注压力1.4MPa～1.6MPa，蜡料温度66℃～72℃；压制好的蜡模置于盛净水的槽中溶掉聚乙二醇型芯；每隔6h～8h换一次水；
(2)蜡模浇注系统组合方案
根据浇注系统的设计原则与该铸件的结构特点，利用计算机模拟内浇口大小、方向、位置、数量从而摸索出内浇口对铸件补缩的影响，浇注系统组合方案采取侧注式，每组二件对称分布；
(3)铸件的真空熔注
装箱工艺：型壳预热采取包保温毡，预热前，对型壳浇注系统横浇道部位用一层保温毡包裹后整个型壳再用二层保温毡包裹，砂箱底部垫两层保温毡，浇口杯部位包裹严实，在高温炉中型壳预热温度为980℃～1120℃，保温时间为2h～8h；
浇注工艺：骨架铸件采用的母合金材料为K424合金，浇注设备采用50kg真空炉；为了控制缺陷，对浇注参数有严格的要求，采用精炼温度为1600℃±10℃，精炼时间为2min～3min，浇注温度为1440℃～1550℃，浇注速度控制在6s～10s以内；为了减少型壳温度与浇注温度差，要求从型壳入真空炉到浇注必须在5～6分钟内完成，浇注5min后破真空取铸件，取出的铸件组室温冷却12h后进行脱壳处理。
2.根据权利要求1所述的一种高温合金空腔复杂薄壁结构件骨架的精铸方法，其特征在于所述浇注系统由1个浇口杯、1个直浇道、8个横浇道、8个过渡横浇道、厚大部位的16个冒口、下弧面上的2个成形内浇口、2个出气孔组成；2个成形内浇口位于下弧面上热节处；直浇道与浇口杯连接，横浇道通过过渡横浇道连接到直浇道上，16个冒口分别粘在蜡模对应的热节部位后与横浇道焊接在一起，下弧面上的2个成形内浇口粘在下弧面热节处与直浇道焊接在一起，最后在浇口杯与横浇道之间连接出气孔。
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