CN104878443B - 一种制造单晶铸件的熔化浇注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制造单晶铸件的合金熔化浇注方法，特征是在浇道中放置合金基材堵块，将浇道堵塞，直接将合金料放在模壳的浇口杯内，在真空定向凝固炉内熔化、充型和定向凝固。避免了在坩埚中熔化合金、经漏斗浇入模壳，简化了工艺步骤，也可简化真空定向凝固炉的构造，降低造价；同时避免了合金液将坩埚和漏斗中的杂质带入模壳，提高铸件质量，此外降低了合金液的浇注高度，减少了对模壳及模壳内陶瓷型芯的冲击。

Description

一种制造单晶铸件的熔化浇注方法

技术领域

本发明涉及熔模铸造技术，尤其涉及一种制造高温合金单晶铸件的熔化浇注方法，主要用于制造重型燃机透平叶片、航空发动机叶片等。

背景技术

重型燃气轮机透平叶片是耐热工件，通常采用镍基高温合金铸造毛坯，为使叶片具有更为优良的高温性能，铸造时用定向凝固工艺获得单晶组织。

以往的铸造工艺是，在真空定向凝固炉中，先在上部的熔炼室内将镍基合金在坩埚中熔化过热，再倾转坩埚，将高温合金液浇入漏斗，流入中部的加热室内的模壳内，然后以一定的速度将模壳从加热室向下抽拉至冷却室，合金液从模壳底部开始定向凝固，向上经选晶器长成单晶，制得单晶叶片毛坯。该工艺的缺点是：（1）炉子上部需设专门的熔炼室，并需要熔炼坩埚和浇注漏斗，增加了结构和操作的复杂性及生产成本；（2）敞开式的熔化和浇注过程中，金属液会遭到外界污染；（3）坩埚和漏斗被金属液侵蚀，形成的夹杂会被冲入铸件；（4）坩埚比模壳高出很多，浇注时飞溅而下的液流造成很大的冲击，容易导致模壳特别是型芯的损坏。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种制造单晶铸件熔化浇注方法，可避免发生上述缺陷，其技术解决方案是：

一种制造单晶铸件的合金熔化浇注方法，该方法包括步骤：

（1）制备好陶瓷模壳，该模壳的型腔具有由上而下顺序布置的浇口杯、浇道、铸件型腔、选晶器，所述浇口杯配有陶瓷盖；

（2）在浇道中放置高温合金基材堵块，将浇道堵塞；如果合金为镍基高温合金，则在浇道中放置纯镍块，如果合金为钴基高温合金，则在浇道中放置纯钴块；再将高温合金材料放入浇口杯内，然后扣上陶瓷盖；

（3）将模壳移入真空定向凝固炉，升至炉内加热室加热，合金基材的熔点高于合金，所以合金先熔化并过热，当基材堵块熔化后，合金液流入铸件型腔，将其充满；

（4）将模壳向下抽拉进入炉内冷却室，铸件从下向上定向凝固，凝固过程中，由选晶器选晶成为单晶结构。

所述浇口杯内（底部）配有陶瓷过滤网，步骤（2）所述高温合金材料置于陶瓷过滤网上。

本发明的另一种方案是：

一种制造单晶铸件的熔化浇注方法，可以同时浇注不同的合金，该方法包括步骤：

（1）制备好陶瓷模壳，该模壳的型腔具有由上而下顺序布置的浇口杯、浇道、铸件型腔、选晶器，所述浇口杯配有陶瓷盖和垂直隔板，所述铸件型腔多个并列，各型腔铸件所使用的合金材料不同，所述垂直隔板将浇口杯内部的容积空间划分为与铸件型腔对应的多个独立空间，每一空间分别有浇道通往各自对应的铸件型腔；

（2）在各浇道中分别放置各自合金材料的基材堵块，将浇道堵塞；再将各种合金材料分别放入浇口杯各自的空间内，然后扣上陶瓷盖；

（3）将模壳移入真空定向凝固炉，升至炉内加热室加热，合金基材堵块的熔点高于合金，所以合金先熔化并过热，当基材堵块熔化后，各种合金液分别经各自的浇道流入各自的铸件型腔，将其充满；

（4）将模壳向下抽拉进入炉内冷却室，铸件从下向上定向凝固，凝固过程中，由选晶器选晶成为单晶结构。

所述浇口杯内（底部）配有陶瓷过滤网，步骤（2）所述合金材料置于陶瓷过滤网上。

本发明的有益效果:

由于合金的熔化、浇注和凝固过程都在封闭的同一模壳内进行，减少了周围环境对金属液的污染及从坩埚和漏斗带来的夹杂；又因几乎无浇注高度，充型缓和，减少了型芯和模壳的破损。并可在同一模壳内熔化浇注不同的合金料，制出不同合金的单晶叶片，可以用来研究在实际浇注工艺和环境完全相同的情况下不同合金对单晶生长的影响。通过实验的实施证明了本发明的可行性。本发明适用于但不限于镍基高温合金的单晶叶片制备，也可用于其它合金（如钴基合金）、其它组织（如定向柱晶）和其它产品（如试棒）的熔化浇注。

下面以铸造燃气轮机叶片为例，详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明一种模壳的结构图(一种合金)

图2是本发明另一种模壳的结构图（两种合金）

图中标号表示： 1、陶瓷盖， 2、浇口杯，3、合金料，4、陶瓷过滤网，5、基材堵块，6、浇道，7、叶片型腔，8、选晶器，9、水冷铜盘，10、陶瓷隔板。

具体实施方式

实施例一

该燃气轮机叶片用镍基高温合金制造。

参见图1，先按照熔模铸造常规工艺制备好陶瓷模壳，该模壳的型腔具有由上而下顺序布置的浇口杯2、浇道6、叶片型腔7、选晶器8；所述浇口杯2的上口配有陶瓷盖1，杯内设有陶瓷过滤网4，合金料3置于陶瓷过滤网4上；浇道6的竖直段为圆锥结构，用于放置镍球5（基材堵块）。

按如下步骤制造单晶叶片：

A 、装料

将镍球5放进浇道6的锥形竖直段中，再将陶瓷过滤网4放进浇口杯2，然后将镍基合金料置于陶瓷过滤网4上，扣上陶瓷盖1。

B、熔炼充型

将模壳移入真空定向凝固炉，置于水冷铜盘9上，升至加热室，关闭炉门抽真空，通电升温，熔炼合金，升温至镍基合金熔点（约1350℃）以上约200℃，并保温5~15min，使合金料熔化并过热；在此过程中，合金料先熔化，然后镍球（熔点为1453℃）熔化，合金液经浇道6流入叶片型腔7，将其充满。

C、定向凝固

将模壳向下方冷却室抽拉，合金由下而上定向凝固；在此过程中，经选晶器8选出的晶粒生长，得到单晶叶片。

实施例二

在同一模壳中采用两种不同的合金浇注两种燃机叶片。

参见图2，先按照熔模铸造常规工艺制备好陶瓷模壳，该模壳具有由上而下顺序布置的浇口杯2、浇道6、叶片型腔7、选晶器8；所述浇口杯2的上口配有陶瓷盖1，浇口杯2内设有陶瓷隔板10，将杯内空间划分成两个独立空间，两个独立空间均有各自的浇道6，分别通往两组叶片型腔7，两个独立空间底部均设有陶瓷过滤网4，其中一个用于放置镍基高温合金料M4706 3-1，另一个用于放置镍基高温合金料M4761 3-2；两条浇道6的竖直段为圆锥结构，分别放置镍球5-1和5-2。

工艺步骤与实施例一类似，区别是本例中浇口杯分为两个空间。

按照本方法进行了一次实验，用一个模壳同时浇注两种合金共10只叶片，每种合金各5只。在其中一个叶片缘板的三个边角处安装了热电偶测量了整个过程中的温度变化。加热器温度设定为1550℃。从所测温度曲线可看出当测量点的模壳温度超过1520℃时发生了合金熔体的自动充型。充型合金熔体的温度超过1500℃，与通常的浇注温度差不多，已远超合金的熔点（1347℃），具有足够的过热度进行充型。从事后进行的金相检验结果看，铸件的单晶率与通常工艺浇注的相似，这是因为浇注后的定向凝固过程完全一样。本实施例证明了本发明的可行性。

实施例三

与实施例二的区别是，本例的铸件有两种，一种是燃气轮机叶片，用镍基合金铸造，另一种是燃气轮机配件，用钴基合金铸造，在叶片浇道中放置纯镍堵块，在配件浇道中放置纯钴堵块，在浇口杯的两个空间中分别放置镍合金材料和钴合金材料，与堵块材料对应。熔化、浇注步骤与实施例二相同。

Claims (4)

1.一种制造单晶铸件的合金熔化浇注方法，该方法包括步骤：

（1）制备好陶瓷模壳，该模壳的型腔具有由上而下顺序布置的浇口杯、浇道、铸件型腔、选晶器，所述浇口杯配有陶瓷盖；

（2）在浇道中放置高温合金基材堵块，将浇道堵塞；如果合金为镍基高温合金，则在浇道中放置纯镍块，如果合金为钴基高温合金，则在浇道中放置纯钴块；再将高温合金材料放入浇口杯内，然后扣上陶瓷盖；

（3）将模壳移入真空定向凝固炉，升至炉内加热室加热，合金基材的熔点高于合金，所以合金先熔化并过热，当基材堵块熔化后，合金液流入铸件型腔，将其充满；

（4）将模壳向下抽拉进入炉内冷却室，铸件从下向上定向凝固，凝固过程中，由选晶器选晶成为单晶结构。

2.如权利要求1所述的合金熔化浇注方法，所述浇口杯底部配有陶瓷过滤网，步骤（2）所述高温合金材料置于陶瓷过滤网上。

3.一种制造单晶铸件的熔化浇注方法，同时浇注不同的合金，该方法包括步骤：

（1）制备好陶瓷模壳，该模壳的型腔具有由上而下顺序布置的浇口杯、浇道、铸件型腔、选晶器，所述浇口杯配有陶瓷盖和垂直隔板，所述铸件型腔多个并列，各型腔铸件所使用的合金材料不同，所述垂直隔板将浇口杯内部的容积空间划分为与铸件型腔对应的多个独立空间，每一空间分别有浇道通往各自对应的铸件型腔；

（2）在各浇道中分别放置各自合金材料的基材堵块，将浇道堵塞；再将各种合金材料分别放入浇口杯各自的空间内，然后扣上陶瓷盖；

（3）将模壳移入真空定向凝固炉，升至炉内加热室加热，合金基材堵块的熔点高于合金，所以合金先熔化并过热，当基材堵块熔化后，各种合金液分别经各自的浇道流入各自的铸件型腔，将其充满；

（4）将模壳向下抽拉进入炉内冷却室，铸件从下向上定向凝固，凝固过程中，由选晶器选晶成为单晶结构。

4.如权利要求3所述的单晶铸件的熔化浇注方法，所述浇口杯底部配有陶瓷过滤网，步骤（2）所述合金材料置于陶瓷过滤网上。