CN104399894A - 高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构，在精铸的蜡模制壳工艺中使用，所述蜡树上具有对应“工字型”导向叶片的叶片蜡模，所述叶片蜡模在蜡树上以对角线竖置式放置，在蜡树上呈立体菱形状。本发明有效确保所成型模壳的叶片模腔各部位棱边倾斜，进而在定向凝固工艺中实现叶片模腔内所浇注高温合金能够呈单晶体顺序生长，最终可靠地制造出无杂晶缺陷的单晶导向叶片。

Description

高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构

技术领域

本发明涉及高温合金部件的精密铸造，具体是一种高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构。

背景技术

由于单晶组织能够明显地提高高温合金部件的性能，因而，单晶技术越来越多地应用于工业燃气轮机的叶片制造。相较于狭长型的透平动叶片而言，燃气轮机的导向叶片形状要复杂得多，其主要由叶身、叶身两端的上缘板和下缘板、以及上缘板和下缘板上的插板组成“工字型”结构。由于导向叶片的这种“工字型”成型结构，使得平板型、大面积的上、下缘板与薄壁的叶身连接处形成了横截面的巨大变化，从而在定向凝固工艺中，导向叶片的成型模壳各边角处会形成较大的过冷，这种过冷直接导致成型导向叶片内的杂晶缺陷产生，进而使结构复杂的导向叶片难以实现顺序的单晶生长。

为了使结构复杂的导向叶片在成型时能够实现单晶生长，在以往的实验中，人们试图将导向叶片以缘板直立方式进行浇注和定向凝固。参见图1，这种缘板直立方式所采用模壳的成型蜡树结构是：在蜡树内设置对应设计要求的“工字型”导向叶片的叶片蜡模1，该叶片蜡模1是在蜡树的径向平面内规则成型的，即叶片蜡模1的上缘板部11和下缘板部13的端面均呈天、地朝向，叶身部12横置在上缘板部11和下缘板部13之间，同时上插板部15从直立的上缘板部11侧面横向凸起、下插板部14从直立的下缘板部13侧面横向凸起，在上缘板部11的底部设有通至选晶蜡模5（与启晶蜡模6一体）的上缘板引晶蜡模3、在下缘板部12的底部设有通至选晶蜡模5的下缘板引晶蜡模4。此成型蜡树所成型模壳虽在定向凝固中使直立的缘板部（即上缘板部11和下缘板部13）能够实现顺序的单晶生长，但水平横置的叶身部12下沿则极易出现杂晶，即使在蜡树的叶身部12底部增设通至选晶蜡模5的叶身引晶蜡模2，但也因叶身部12的跨度很大而不能解决问题，况且导向叶片的叶身部为非加工部位，从而在成型时是不允许设置叶身引晶蜡模2的。另外，前述蜡树虽然使叶片蜡模1的上、下缘板部实现了直立，但是缘板部上的四条插板（即两条上插板部14和两条下插板部14）皆因缘板部的直立而水平横置了，从而造成缘板部上的横截面突然扩展，破坏缘板部顺序单晶生长，极易导致成型导向叶片内部产生杂晶缺陷，可靠性和可行性差。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述导向叶片的结构特性以及现有技术的不足，提供一种所成型模壳能够可靠实现单晶体顺序生长、无杂晶缺陷的高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构。

本发明采用的技术方案是：一种高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构，在精铸的蜡模制壳工艺中使用，所述蜡树上具有对应“工字型”导向叶片的叶片蜡模，所述叶片蜡模在蜡树上以对角线竖置式放置，在蜡树上呈立体菱形状。

所述蜡树上的叶片蜡模的叶身部轴线与蜡树轴线形成5～45°的夹角。

所述蜡树上还具有选晶蜡模和启晶蜡模；所述选晶蜡模和启晶蜡模在蜡树上以倾斜方式成型，它们的轴向方向与叶片蜡模的叶身部轴向方向一致。

所述蜡树上的叶片蜡模的上缘板部和/或下缘板部的下垂边角处具有通至选晶蜡模的引晶蜡模。

本发明的有益效果是：

1. 本发明利用导向叶片的“工字型”结构特性，将成型模壳的蜡树上的叶片蜡模在蜡树上以立体对角线竖置方式成型，从而有效避免所成型模壳的叶片模腔各部位棱边处于水平横置状态，确保它们倾斜，进而在定向凝固工艺中实现叶片模腔内所浇注高温合金能够呈单晶体顺序生长，最终可靠地制造出无杂晶缺陷的单晶导向叶片；

2. 本发明通过将所成型模壳的启晶器以倾斜布置来调整热流方向，进而可使单晶的晶体取向与导向叶片的叶身部轴向趋于一致，能够实现导向叶片结构性能的最佳化；

3. 本发明无需对原有设备作任何改动，仅需要在组装蜡树时将叶片蜡模（以及选晶和启晶蜡模）进行倾斜布置，其余的一切工艺过程均不变，简单易行，从根本上解决了导向叶片由于形状复杂而难以做成单晶的技术问题，可靠性好。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是现有缘板直立式导向叶片成型模壳的成型蜡树结构。

图2是本发明的一种结构示意图。

图中代号含义：1—叶片蜡模；11—上缘板部；12—叶身部；13—下缘板部；14—下插板部；15—上插板部；2—叶身引晶蜡模；3—上缘板引晶蜡模；4—下缘板引晶蜡模；5—选晶蜡模；6—启晶蜡模。

具体实施方式

参见图2：本发明为一种高温合金单晶导向叶片成型用的陶瓷模壳的成型蜡模结构，具体在精铸的蜡模制壳工艺中使用，确保所成型陶瓷模壳在定向凝固工艺中所成型导向叶片的高温合金能够实现单晶体顺序生长。本发明的蜡树结构具有叶片蜡模1、选晶蜡模5和启晶蜡模6。

其中，叶片蜡模1的空间形状对应设计要求的“工字型”导向叶片的轮廓形状，即叶片蜡模1呈“工字型”状。该“工字型”状的叶片蜡模1在蜡树上以对角线竖置式成型，使叶片蜡模1在蜡树上呈立体菱形状，即叶片蜡模1的上缘板部11和下缘板部13的斜对角线基本呈垂直状，从而确保叶片蜡模1的各部位（包括上缘板部11、上插板部15、叶身部12、下缘板部13、下插板部14）棱边上翘、倾斜。作为优化，叶片蜡模1的叶身部12轴线与蜡树的轴线形成近45°的夹角，此夹角通常根据设计导向叶片的具体形状在5～45°的范围选择，这样才能确保叶片蜡模1的各部位棱边都能最大限度的上翘、倾斜，以利于单晶的晶体取向控制，最易实现单晶体的顺序凝固。

为了保证所成型陶瓷模壳的叶片模腔内的高温合金在定向凝固中单晶体能够顺序生长，在上述具有叶片蜡模1的蜡树上还设有选晶蜡模5和启晶蜡模6，该选晶蜡模5和启晶蜡模6为一体化布置在蜡树中的叶片蜡模1下方，以倾斜方式成型，具体的倾斜角度是：确保它们的轴向方向与叶片蜡模1的叶身部12轴向方向一致，即平行或尽可能平行。这样所成型陶瓷模壳可以在定向凝固中调整单晶导向叶片的晶体取向与叶身部轴向的趋于一致化。叶片蜡模1的上缘板部11的下垂边角处设有通至选晶蜡模5的上缘板引晶蜡模3，叶片模腔1的下缘板部13的下垂边角处具有通至选晶蜡模5的下缘板引晶蜡模4，以此可以有效消除所成型陶瓷模壳的叶片模腔的缘板部下垂边角处可能产生杂晶的危险。

上述高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构的组装及成型陶瓷模壳的方法，具体包括下列顺序步骤：

1）. 根据导向叶片的设计形状制作叶片蜡模，以及一体的选晶和启晶蜡模；根据所成型叶片蜡模的结构特征确定叶片蜡模在蜡树底盘上的倾斜方向和角度，通常所确定叶片蜡模在蜡树底盘上的倾斜角度为叶片蜡模叶身部轴线与蜡树底盘垂线间形成5～45°夹角（例如15°、30°或45°等等），此角度能够确保叶片蜡模的各部位棱边倾斜；

2）. 按照步骤1）确定的倾斜方向和角度将叶片蜡模、选晶和启晶蜡模对应安装在蜡树底盘上；使叶片蜡模在蜡树底盘上以对角线方式竖置，叶片蜡模在蜡树底盘上呈立体菱形状；使选晶和启晶蜡模处在叶片蜡模的下方，以一致于叶片蜡模叶身部轴向的方向安装在蜡树底盘上，叶片蜡模的上缘板部的下垂边角处连接有连接至选晶和启晶蜡模的引晶蜡模，叶片蜡模的下缘板部的下垂边角处连接有连接至选晶和启晶蜡模的引晶蜡模。

3）. 用反复粘桨淋砂的方法在步骤2）的蜡树上制作陶瓷模壳；对陶瓷模壳进行脱蜡、烧残蜡和烧结处理，得导向叶片成型模壳。

上述陶瓷模壳在定向凝固工艺中的具体使用是：

1）. 将陶瓷模壳放置在真空定向凝固炉内的水冷铜盘上，必要时事先将陶瓷模壳的壳底进行研磨，使模壳的底盘下表面与铜盘上表面形成紧密接触；

2）. 将陶瓷模壳升入加热室内，关炉门、抽真空，开启加热器，预热至设定温度，将熔化后的高温合金浇入陶瓷模壳内；随着陶瓷模壳向冷室的下降，陶瓷模壳启晶器内的定向凝固经选晶器后变为缘板部和叶身部分的单晶凝固；

3）. 在凝固过程结束后，将铸模冷室放真空后打开，取出并破开模壳，取出铸件；

4）. 检查铸件质量，统计单晶成品率，测量叶身部的晶体取向；根据结果调整叶片和启晶器的倾斜角度，以达到最佳效果。

上述具体技术方案仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述具体技术方案对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构，在精铸的蜡模制壳工艺中使用，所述蜡树上具有对应“工字型”导向叶片的叶片蜡模（1），其特征在于：所述叶片蜡模（1）在蜡树上以对角线竖置式放置，在蜡树上呈立体菱形状。

2. 根据权利要求1所述高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构，其特征在于：所述蜡树上的叶片蜡模（1）的叶身部（12）轴线与蜡树轴线形成5～45°的夹角。

3.根据权利要求1或2所述高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构，其特征在于：所述蜡树上还具有选晶蜡模（5）和启晶蜡模（6）；所述选晶蜡模（5）和启晶蜡模（6）在蜡树上以倾斜方式成型，它们的轴向方向与叶片蜡模（1）的叶身部（12）轴向方向一致。

4. 根据权利要求3所述高温合金单晶导向叶片成型用蜡树结构，其特征在于：所述蜡树上的叶片蜡模（1）的上缘板部（11）和/或下缘板部（13）的下垂边角处具有通至选晶蜡模（5）的引晶蜡模。