CN105268916A - 一种单晶涡轮导向叶片的制备工艺 - Google Patents

一种单晶涡轮导向叶片的制备工艺 Download PDF

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本发明的目的在于提供一种单晶高温合金导向涡轮叶片的制备工艺，其特征在于，采用纵向单晶生长技术制备单晶涡轮导向叶片，制备步骤为：首先制备蜡模，将蜡模与螺旋选晶器组合起来，经涂料制壳、脱蜡、定向凝固、脱壳清理、脱芯、切除引晶薄片及浇注系统，最后得到完整的单晶涡轮导向叶片；所述蜡模由涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模及单晶选晶器过渡段蜡模组成，其中涡轮叶片蜡模包括叶身、上缘板、下缘板和补缩段，补缩段位于缘板的上端面，单晶选晶器过渡段蜡模与上缘板、下缘板的下端面相接，在叶身、上缘板、下缘板和单晶选晶器过渡段蜡模之间形成的空间中设有引晶薄片蜡模。该方法简单、成本低、效率高，适合大规模生产。

Description

一种单晶涡轮导向叶片的制备工艺
技术领域
本发明属于高温合金技术领域，特别提供一种单晶涡轮导向叶片的制备工艺。
背景技术
高推重比航空发动机等技术领域的发展，要求材料具有更高的承温能力。镍基高温合金具有优良的高温性能。因此，先进航空发动机和燃气轮机叶片材料主要采用镍基高温合金。
镍基高温合金也称超合金，成分异常复杂，通常含有十种以上的元素，如Ni、Al、Ti、Ta、W、Mo、Cr、Co、C、B等，在单晶高温合金中还加入了Re、Ru等，如第二代镍基单晶高温合金中含3wt％Re，第三代镍基单晶高温合金中含6wt％的Re。国外从上世纪八十年代开始，已研制出一系列的单晶高温合金，其中第二代单晶合金已经广泛应用；第三代单晶高温合金研制已完成，如CMSX-10、ReneN6、TMS-75等。
单晶高温合金材料的复杂成分使其凝固温度范围更宽，成分偏析更加严重，这也使得单晶涡轮导向叶片生长更加困难，特别在叶片缘板处等容易形成杂晶及表面疏松等缺陷，进而破坏单晶叶片的整体完整性，使单晶涡轮叶片成品率也明显降低，单晶叶片成本大大提高，严重限制了单晶高温合金涡轮叶片的大规模使用。因此，如何更有效率制备单晶高温合金涡轮导向叶片仍然是目前生产中遇到的难题之一。
发明内容
本发明的目的在于开发出一种单晶高温合金导向涡轮叶片的制备工艺，以满足高性能发动机对单晶涡轮导向叶片的需求。
本发明具体提供了一种单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于，采用纵向单晶生长技术制备单晶涡轮导向叶片，制备步骤为：首先制备蜡模，将蜡模与螺旋选晶器组合起来，经涂料制壳、脱蜡、定向凝固、脱壳清理、脱芯、切除多余部分(如引晶薄片及浇注系统)，最后得到完整的单晶涡轮导向叶片；
所述蜡模由涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2组成，其中涡轮叶片蜡模包括叶身1、上缘板5、下缘板6和补缩段4，补缩段4位于上缘板5和下缘板6的上端面，单晶选晶器过渡段蜡模2与上缘板5、下缘板6的下端面相接，在叶身1、上缘板5、下缘板6和单晶选晶器过渡段蜡模2之间形成的空间中设有引晶薄片蜡模3。
其中引晶薄片蜡模3的作用是为了形成引晶薄片空腔，合金液充满后进行单晶叶片定向凝固生长时起引导晶体生长作用。本发明中，蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃-68℃，压力为0.3-0.5MPa，注射时间为10-30秒，保压时间为10-30秒。
本发明中，涂料采用320目粉与硅溶胶溶液，粉液比为(3.0-3.5):1；
撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用刚玉粉、锆英粉、石英粉或上店粉中的一种，撒砂材料为刚玉砂、锆英砂、石英砂、上店砂中的一种。
本发明中，蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃-170℃，压力3-7个大气压，时间为10-60分钟。
本发明中，模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850-980℃，保温时间为3-6小时，炉冷后对模壳进行清洗。
本发明中，铸造合金为单晶高温合金。
本发明中，定向凝固抽拉速度为3mm/min-15mm/min。
本发明中，铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脱除，碱浓度为质量百分比25-40％，温度为120℃-280℃，压力为0.3-0.5MPa，脱除时间2-50小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为1-10％。
本发明中，其特征在于：所得单晶铸件中的单晶选晶器过渡段与引晶薄片采用线切割方式切除后得到成品单晶铸件。
本发明还提供了所述单晶涡轮导向叶片制备工艺的专用蜡模，其特征在于：所述蜡模由涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2组成，其中涡轮叶片蜡模包括叶身1、上缘板5、下缘板6和补缩段4，补缩段4位于上缘板5和下缘板6的上端面，单晶选晶器过渡段蜡模2与上缘板5、下缘板6的下端面相接，在叶身1、上缘板5、下缘板6和单晶选晶器过渡段蜡模2之间形成的空间中设有引晶薄片蜡模3；
其中引晶薄片蜡模3的厚度为0.3-1.5毫米，与上缘板5、下缘板6、叶身1及单晶选晶器过渡段蜡模2完全相接；补缩段4的高度为10-30毫米，长、宽分别为5-20毫米。
本发明采用附加引晶薄片连续生长技术保证叶片晶体结构的完整性；采用端部补缩技术保证叶片自由表面补缩而无疏松出现。
本发明所述专用蜡模可以采用一次成型的方式加工而成，也可以先加工成几个独立的蜡模模块，然后采用组合夹具将各分体蜡模进行定位后拼装粘接组合而成。
采用本发明所述方法制备单晶涡轮导向叶片，可以避免杂晶及表面疏松等缺陷的形成，从而明显提高单晶涡轮导向叶片的成品率，且该工艺方法简单，成本低，能够大幅提高单晶涡轮导向叶片的生产效率，可以进行大规模生产。
附图说明
图1单晶涡轮叶片蜡模结构示意图(a)、蜡模结构示意图，(b)、蜡模相对位置(横截面)示意图，其中1、叶身，2、单晶选晶器过渡段，3、引晶薄片，4、补缩段，5、上缘板，6、下缘板；
图2单晶生长铸件1；
图3单晶生长铸件2；
图4单晶生长铸件3。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例所用蜡模由涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2组成，其中涡轮叶片蜡模包括叶身1、上缘板5、下缘板6和补缩段4，补缩段4位于上缘板5和下缘板6的上端面，单晶选晶器过渡段蜡模2与上缘板5、下缘板6的下端面相接，在叶身1、上缘板5、下缘板6和单晶选晶器过渡段蜡模2之间形成的空间中设有引晶薄片蜡模3，且引晶薄片蜡模3与叶身1、上缘板5、下缘板6和单晶选晶器过渡段蜡模2完全相接。
实施例1
首先采用注射成形方式制备涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2，注射温度为65℃，压力为0.5MPa，注射时间为10秒，保压时间为10秒，引晶薄片蜡模3的厚度为0.3毫米，补缩段4的高度为10毫米，其横截面的长与宽均为5毫米；然后将这三部分按图1所示组合起来，再与螺旋选晶器组合；涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉料采用刚玉粉，粉液比3.5:1；撒砂材料为刚玉砂，撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为170℃，压力为7个大气压，时间为10分钟；脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850℃，保温时间为6小时，炉冷后对模壳进行清洗；铸造合金采用N5单晶高温合金；定向凝固在HRS定向炉上进行，抽拉速度为3mm/min，铸造完毕后陶瓷型芯采用NaOH的水溶液脱除，碱浓度为质量百分比25％，温度为160℃，压力为0.3MPa，脱除时间10小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为4％。最后得到单晶铸件，见图2。单晶选晶器过渡段与引晶薄片皆采用线切割方式切除。
实施例2
首先采用注射成形方式制备涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2，注射温度为63℃，压力为0.3MPa，注射时间为30秒，保压时间为30秒，引晶薄片蜡模3的厚度为0.5毫米，补缩段4的高度为30毫米，其横截面的长与宽均为20毫米；然后将这三部分按图1所示组合起来，再与螺旋选晶器组合；涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉料采用上店粉，粉液比3.2:1；撒砂材料为上店砂，撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃，压力为5个大气压，时间为15分钟；脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为3小时，炉冷后对模壳进行清洗；铸造合金采用CMSX-4单晶高温合金；定向凝固在HRS定向炉上进行，抽拉速度为6mm/min，铸造完毕后陶瓷型芯采用KOH的水溶液脱除，碱浓度为质量百分比40％，温度为200℃，压力为0.5MPa，脱除时间24小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为5％。最后得到单晶铸件，见图3。单晶选晶器过渡段与引晶薄片皆采用线切割方式切除。
实施例3
首先采用注射成形方式制备涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2，注射温度为65℃，压力为0.5MPa,注射时间为10秒,保压时间为10秒；引晶薄片蜡模3的厚度为0.8毫米，补缩段4的高度为20毫米，其横截面的长与宽均为10毫米；然后将这三部分按图1所示组合起来，再与螺旋选晶器组合；涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉料采用锆英粉，粉液比3.5:1；撒砂材料为锆英砂，撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为160℃，压力为6个大气压，时间为10分钟；脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为900℃，保温时间为5小时，炉冷后对模壳进行清洗；铸造合金采用DD6单晶高温合金；定向凝固在HRS定向炉上进行，抽拉速度为12mm/min，铸造完毕后陶瓷型芯采用NaOH的水溶液脱除，碱浓度为质量百分比35％，温度为180℃，压力为0.3MPa，脱除时间32小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为8％。最后得到成品单晶铸件，见图4。单晶选晶器过渡段与引晶薄片皆采用线切割方式切除。
实施例4
首先采用注射成形方式制备涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2，注射温度为68℃，压力为0.3MPa,注射时间为10秒,保压时间为10秒；引晶薄片蜡模3的厚度为1.5毫米，补缩段4的高度为10毫米，其横截面的长与宽均为20毫米；然后将这三部分按图1所示组合起来，再与螺旋选晶器组合；涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉料采用刚玉粉，粉液比3.5:1；撒砂材料为刚玉砂，撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为170℃，压力为6个大气压，时间为10分钟；脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为900℃，保温时间为3小时，炉冷后对模壳进行清洗；铸造合金采用CMSX-10单晶高温合金；定向凝固在HRS定向炉上进行，抽拉速度为6mm/min；铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH的水溶液脱除，浓度为35％，温度为190℃，压力0.5MPa，脱除时间20小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为2％；单晶选晶器过渡段与引晶薄片皆采用线切割方式切除，最后得到成品单晶铸件。
实施例5
首先采用注射成形方式制备涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模3及单晶选晶器过渡段蜡模2，注射温度为63℃，压力为0.3MPa,注射时间为30秒,保压时间为30秒；引晶薄片蜡模3的厚度为0.3毫米，补缩段4的高度为10毫米，其横截面的长与宽均为10毫米；然后将这三部分按图1所示组合起来，再与螺旋选晶器组合；涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉料采用上店粉，粉液比3.5:1；撒砂材料上店砂，撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为170℃，压力为7个大气压，时间为10分钟；脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为3小时，炉冷后对模壳进行清洗；铸造合金采用TMS-75单晶高温合金；定向凝固在HRS定向炉上进行，抽拉速度为9mm/min；铸造完毕后的陶瓷型芯采用KOH的水溶液脱除，碱浓度为37％，温度为200℃，压力为0.5MPa，脱除时间32小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为5％；单晶选晶器过渡段与引晶薄片皆采用线切割方式切除，最后得到成品单晶铸件。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于，采用纵向单晶生长技术制备单晶涡轮导向叶片，制备步骤为：首先制备蜡模，将蜡模与螺旋选晶器组合起来，经涂料制壳、脱蜡、定向凝固、脱壳清理、脱芯、切除多余部分，最后得到完整的单晶涡轮导向叶片；
所述蜡模由涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模(3)及单晶选晶器过渡段蜡模(2)组成，其中涡轮叶片蜡模包括叶身(1)、上缘板(5)、下缘板(6)和补缩段(4)，补缩段(4)位于上缘板(5)和下缘板(6)的上端面，单晶选晶器过渡段蜡模(2)与上缘板(5)、下缘板(6)的下端面相接，在叶身(1)、上缘板(5)、下缘板(6)和单晶选晶器过渡段蜡模(2)之间形成的空间中设有引晶薄片蜡模(3)。
2.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃-68℃，压力为0.3-0.5MPa,注射时间为10-30秒，保压时间为10-30秒。
3.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：涂料采用320目粉与硅溶胶溶液，粉液比为3.0-3.5:1；
撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用刚玉粉、锆英粉、石英粉或上店粉中的一种，撒砂材料为刚玉砂、锆英砂、石英砂、上店砂中的一种。
4.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃-170℃，压力3-7个大气压，时间为10-60分钟。
5.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850-980℃，保温时间为3-6小时，炉冷后对模壳进行清洗。
6.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：铸造合金为单晶高温合金。
7.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：定向凝固抽拉速度为3mm/min-15mm/min。
8.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脱除，碱浓度为质量百分比25-40％，温度为120℃-280℃，压力为0.3-0.5MPa，脱除时间2-50小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为1-10％。
9.按照权利要求1所述单晶涡轮导向叶片的制备工艺，其特征在于：所得单晶铸件中的单晶选晶器过渡段、补缩段及引晶薄片采用线切割方式切除后得到成品单晶铸件。
10.一种权利要求1所述单晶涡轮导向叶片制备工艺的专用蜡模，其特征在于：所述蜡模由涡轮叶片蜡模、引晶薄片蜡模(3)及单晶选晶器过渡段蜡模(2)组成，其中涡轮叶片蜡模包括叶身(1)、上缘板(5)、下缘板(6)和补缩段(4)，补缩段(4)位于上缘板(5)和下缘板(6)的上端面，单晶选晶器过渡段蜡模(2)与上缘板(5)、下缘板(6)的下端面相接，在叶身(1)、上缘板(5)、下缘板(6)和单晶选晶器过渡段蜡模(2)之间形成的空间中设有引晶薄片蜡模(3)；
其中引晶薄片蜡模(3)的厚度为0.3-1.5毫米，与上缘板(5)、下缘板(6)、叶身(1)及单晶选晶器过渡段蜡模(2)完全相接；补缩段(4)的高度为10-30毫米，长、宽分别为5-20毫米。
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