CN105983658B - 一种Ti3Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密铸造领域，具体为一种Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，适用于大尺寸Ti₃Al合金导叶内环结构件。该方法涉及导叶内环模型及模壳制备包括多孔空腔结构件蜡模模型的制备及尺寸控制技术、氧化钇陶瓷模壳制备技术。本发明突破了大尺寸薄壁多孔近封闭内腔结构件的模型尺寸精度控制及模壳制备关键技术，为大型复杂结构件的精密铸造成型提供了一种可行的方法。与开窗口铸造加焊接工艺相比，此方法实现了铸件整体成型，避免了内腔焊接难题，提高了铸件质量；模壳制备过程中采用微风控制装置实现了空腔内外模壳同步干燥，解决了内腔模壳干燥不足导致的铸件粘砂等缺陷；惰性氧化钇陶瓷模壳解决了钛铸件表面反应层问题。

Description

一种Ti3Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法

技术领域

本发明涉及精密铸造领域，具体为一种Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，适用于大尺寸Ti₃Al合金导叶内环结构件。

背景技术

大尺寸导叶内环具有典型的复杂空腔结构，外环尺寸约600mm，外环侧面具有20个内径15mm的空心突台，内环有35个内径仅为8mm的空心喷嘴，薄壁大平面厚度为2mm。目前使用的导叶内环为高温合金材料，采用焊接的方法制备而成。

为了克服焊接带来的推重比低的缺点，中国专利(公开号CN102019347A) 提出一种通过开工艺窗口铸造高温合金导叶内环的方法，该方法首先精铸出整体母铸件，再将喷嘴及外环通孔焊接在母铸件上，最后焊接封严开口。由于高温合金具有优良的可焊性，此方法可行，但工序繁琐，效率低。为了进一步减轻发动机重量，选择性能优异的Ti₃Al合金制备导叶内环，但是Ti₃Al合金的可焊性较差，上述方法不适合于该材料复杂构件的制备。

导叶内环为大尺寸、薄壁复杂构件，在模壳制备、离心精密铸造、热等静压和热处理等过程中极易变形，影响构件的尺寸稳定性。Ti₃Al合金为低塑性材料，其构件难以采用常规的热校型方法校正椭圆度的尺寸偏差，因此控制蜡模模型尺寸是本发明的关键控制之一。

另外，由于该件是环状薄壁复杂空腔结构件，涂料难度大，容易产生表面鼓包、脱落、胀壳、干燥不透等缺陷，整体精铸件表面易产生疏松、裂纹、冷隔、浇不足等冶金缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸复杂带有空腔结构件的Ti₃Al合金导叶内环离心精密铸造用模型与模壳的制备方法，采用该方法可以实现铸件一次精铸成型，表面无污染，内部无冶金缺陷，尺寸合格的结构件。

本发明的技术方案是：

一种Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，该方法的技术路径是：模型制备→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧，其中：

(1)模型制备：

①尿素型芯制备→②水溶蜡型芯制备→③1/5模型制备→④溶出型芯→⑤修模并校形→⑥整体模型组合→⑦三坐标尺寸检测；

尿素型芯采用不锈钢模具浇灌而成，采用水溶蜡压制型芯，检测尺寸；采用填充模料、20T单工位压蜡机进行压制整体模型，注蜡温度：55～70℃，注蜡时间：20～50s，保压时间：30～300s，水溶型芯脱出后，进行模型修复及校形，利用三坐标检测模型尺寸，合格后在胎具上组焊，空腔内焊缝利用专用工具进行抛修，保证光滑，无缝隙；再进行整体检测，直至合格；

(2)模壳制备：面层料浆采用270～425目氧化钇粉和有机物溶胶配制，粉液比为5.0～6.5g/ml，撒砂骨料为40～90目氧化钇，第二～十层料浆采用270～ 320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.0～3.5g/ml，撒砂骨料分别为：第二～四层36#刚玉砂、第五～七层30#刚玉砂和第八～十层24#刚玉砂，每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳。

所述的Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，采用三套模具制备模型，三套模具分别指：尿素型芯用于控制水溶型芯的尺寸，水溶蜡型芯用于导叶内环空腔的制备，针对导叶内环对称性结构特点设计1/5分体模型模具，实现复杂结构的模型制备。

所述的Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，采用globalclassic SR9128三坐标进行尺寸检验测量；组焊胎具根据零件数模设计，采用不锈钢材料精密加工而成。

所述的Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，模壳面层材料为氧化钇，采用半自动机械手完成模壳制备，模壳干燥除控制环境温湿度外，针对导叶内环的近封闭式内腔结构，采用储气式微风装置，以保证模壳空腔内外同步干燥，前三层模壳采用微风干燥方法。

所述的Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，Ti₃Al合金导叶内环结构件直径约600mm，支板壁厚2mm，外环20个凸台圆孔，内环35个喷嘴与空腔相连，空腔呈弧状三角形。

本发明的设计思想是：

Ti₃Al合金导叶内环结构复杂，导叶内环内腔为近封闭系统，难以实现模型整体压注成型。为此，针对其对称性结构特点，设计1/5分体模型模具，然后将蜡模组焊成整体模型的方法，通过保证分体模型的质量、尺寸以及对组焊过程质量与尺寸的控制，从而达到整体模组质量与尺寸的控制。分体模型在组合时必然造成尺寸偏差，如何保证模型喷嘴位置度，整体模型的尺寸精度控制是精密铸造导叶内环的技术难点。模型空腔采用水溶型芯，水溶型芯的尺寸精度直接影响内腔尺寸，为了避免水溶型芯压制过程中尺寸变化，采用尿素型芯填充。模型压制完成后，溶出水溶型芯，得到1/5模型，然后进行蜡模修整，校形，组焊整体模型，利用CMM三坐标进行整体尺寸检测。

Y₂O₃耐火材料具有很好的化学稳定性，是目前适宜于高活性钛合金精密铸造的最佳模壳材料。但具有空腔结构的大型导叶内环模壳制备难度大，难以控制内外腔同步干燥，导致外腔“过干”，内腔“干不透”，从而造成外表面开裂，内腔回溶等缺陷，如何控制模壳不开裂、不回溶、不鼓包，保证内外同时干燥是导叶内环模壳的关键的技术。模壳面层材料为氧化钇，采用半自动机械手完成模壳制备，模壳干燥除控制环境温湿度外，发明一种储气式微风装置，以保证模壳空腔内外同时干燥，前三层模壳制备采用微风干燥方法，避免了空腔内部干燥不良而外表“过干”而导致“回溶”或“开裂”问题。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明涉及精密铸造Ti₃Al导叶内环，与传统的焊接成型技术相比，精密铸造技术大大降低的制造成本，缩短了加工周期，可以实现批量化生产。

2、本发明突破了包括空腔复杂构的蜡模模型制备技术、三坐标尺寸测量技术以及带空腔的模壳制备技术等，为大型复杂钛合金精密铸造批量生产提供了一种可行的方法。

3、本发明采用精密铸造的方法一次浇注出整体导叶内环，大大缩短加工工期，节省原材料，降低了制造成本，还大幅度提高产品性能。

4、本发明采用三套模具制备模型，尿素型芯用于控制水溶型芯的尺寸，水溶蜡型芯用于导叶内环空腔的制备，1/5模型设计避免了大型导叶内环整体开模的高昂费用，实现了复杂结构的模型制备，尿素型芯主要作用是为了防止水溶型芯制备过程的收缩而引起尺寸变化。

总之，本发明导叶内环模型及模壳制备包括多孔空腔结构件蜡模模型的制备及尺寸控制技术、氧化钇陶瓷模壳制备技术，突破了大尺寸薄壁多孔构件的模型尺寸精度控制及模壳制备关键技术，为大型复杂结构件的精密铸造成型提供了一种可行的方法。与开窗口铸造加焊接工艺相比，此方法实现了铸件整体成型，避免了内腔焊接难题，提高了铸件质量；模壳制备过程中采用储气式微风控制装置实现了空腔内外模壳同步干燥，解决了内腔模壳干燥不足导致的铸件粘砂等缺陷；惰性氧化钇陶瓷模壳解决了钛铸件表面反应层问题。

附图说明

图1(a)-图1(c)为水溶型芯修复及CMM尺寸检验。其中，图1(a)为修复水溶型芯分型线图；图1(b)为修复水溶型芯表面缺陷图；图1(c)为水溶型芯尺寸检测点分布图。

图2(a)-图2(c)为模型型芯溶出及模型空腔修复示意图。其中，图2(a) 为水溶型芯溶出图；图2(b)为溶出型芯后，修复模型喷嘴图；图2(c)为修复型腔内部图。

图3(a)-图3(b)为模型校型及关键尺寸控制点示意图。其中，图3(a) 为模型在模具工装上校型图；图3(b)为模型尺寸控制检测点分布图。

图4(a)-图4(d)为蜡模整体焊接胎具、尺寸控制点及内部焊缝修复。其中，图4(a)为模型整体组焊图；图4(b)为组焊好的模型尺寸检测点分布图；图4(c)为型腔内部焊缝图；图4(d)为利用专门工具修复型腔内焊缝图。

图5(a)-图5(c)为设计的储气微风装置、模壳干燥控制及浇注的层叶内环构件示意图。其中，图5(a)为储气罐图；图5(b)为模壳微风干燥控制图；图5(c)为精铸出的导叶内环样件图。

图6为本发明的储气微风装置结构示意图。图中，1进气口；2排气口；3压力表。

图7(a)为本发明的Ti₃Al合金导叶内环结构件示意图。图中，4喷嘴；5支板；6外环；7内环；8突台；9空腔。

图7(b)为导叶内环截面关键尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

在具体实施方式中，本发明Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，其技术路径是：模型制备→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧，其中：

如图1-图5所示，本发明Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，其技术路径是：模型制备→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧，具体实施步骤如下：

(1)模型制备：

①尿素型芯制备→②水溶蜡型芯制备→③1/5模型制备→④溶出型芯→⑤修模并校形→⑥整体模型组合→⑦三坐标尺寸检测。尿素型芯采用不锈钢模具浇灌而成，采用水溶蜡压制型芯，检测尺寸；采用填充模料、20T单工位压蜡机进行压制整体模型。

采用F30-75填充模料，注蜡温度：65℃，注蜡时间：40s，保压时间：240s。水溶型芯脱出后，进行模型修复及校形，利用三坐标检测模型尺寸，合格后在胎具上组焊(即模型组合)，空腔内焊缝利用专用工具进行抛修，保证光滑，无缝隙；再进行整体检测，直至合格；

(2)模壳制备：面层料浆采用325目氧化钇粉和有机钇溶胶配制，粉液比为 5.5g/ml，撒砂骨料为60～80目氧化钇，第二～十层料浆采用320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.5g/ml，撒砂骨料分别为：第二～四层36#刚玉砂、第五～七层30#刚玉砂和第八～十层24#刚玉砂，每层料浆中加入常用的润湿剂、消泡剂及成膜助剂，润湿剂为JFC，消泡剂为正辛醇，成膜助剂为聚丁二烯聚合物，润湿剂、消泡剂及成膜助剂的含量分别占所用料浆重量的1‰。每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳，第一、二层涂制完成后，采用空腔吹微风手段保证内外模壳同时干燥，第三层模壳干燥完成后采用铁丝网加固边缘，以保证模壳具有足够的强度。

(3)离心浇注：将处理好的模壳装进砂箱中，在450℃马弗炉中预热5h，转移到凝壳炉转盘上，抽真空至40Pa，设定离心转速为200转/分，浇注，保温2h，出炉，清壳，得到铸件。

(4)热等静压：铸件切除浇注系统后，进行热等静压，其制度为：温度950℃，压力120MPa，时间3h。

(5)浇冒口切割加工及桶体局部修整：用电火花线切割切除浇冒口，对铸件表面进行吹砂，局部有粘砂缺陷进行精修。

(6)铸件检验：用三坐标对尺寸进行检验，局部超差部位进行抛磨修整。 Ti₃Al合金导叶内环结构件直径600mm，支板壁厚2mm，外环20个凸台圆孔，内环35个喷嘴与空腔相连，空腔呈弧状三角形。

如图1(a)-图1(c)及所示，从水溶型芯修复及CMM尺寸检验过程可以看出，水溶型芯的尺寸精度直接受到压制工艺的影响，由于水溶蜡具有较高的脆性，在压制和修复过程中极易产生裂纹，因此该工序要求极高。

如图2(a)-图2(c)所示，从模型型芯溶出及模型空腔修复过程可以看出，型芯的形状精度及表面质量真接影响模型空腔壁厚及尺寸精度，空腔内部修整至关重要。但狭长、弯曲的内腔修复非常困难，因此针对该工序，研发一系列修复小工具，解决了上述难题。

如图3(a)-图3(b)所示，从模型校型及关键尺寸控制点过程可以看出， 1/5模型的校型工序十分必要，这是因为1/5模型两端呈自由状态及模型各部位厚度不均，极易产生翘曲变形缺陷，模型平面度难以控制，因此模型有必要在模具上进行定型控制。

如图4(a)-图4(d)所示，从蜡模整体焊接胎具、尺寸控制点及内部焊缝修复过程可以看出，模型整体焊接工艺十分复杂，1/5模型在拼接过程中，由于受到烫刀温度的影响，很难保证对接焊缝均匀，薄壁区域易发生形变，为此设计组焊胎具，来保证整体模型的圆度和平面度，点焊后进行尺寸检测，合格后再进行精焊。如上所述，空腔内部焊缝的修复也是难度较大的工序，为此，专门设计了修复工具，以保证焊缝光滑。

如图5(a)-图5(c)所示，从储气微风装置、模壳干燥控制及浇铸出的导叶内环铸件成品图可以看出，铸件表面光滑，边缘完整，表面没有可见的毛刺或凹坑等缺陷，呈金属色，CMM检测其尺寸控制在公差范围内。

如图6所示，本发明的储气微风装置结构如下：进气口1与空气压缩机连接， 20个排气口2分别插入构件外环20个凸台圆孔中，气体流量由压力表3控制。

如图7(a)-图7(b)所示，本发明的Ti₃Al合金导叶内环，主要包括：喷嘴 4、支板5、外环6、内环7、突台8、空腔9等，内环7、外环6按内外同心设置，外环6、内环7之间通过支板5连接过渡，支板5与空腔9相连；外环6内侧面均布喷嘴4与空腔9相连，空腔9与外环6外侧面均布突台8，每个突台8上开有凸台圆孔，与空腔9相通。Ti₃Al合金导叶内环结构件外径600mm，支板5壁厚2mm，外环6上的20个凸台圆孔以及35个喷嘴4与空腔9相连，空腔9呈弧状三角形。

实施例结果表明，本发明中采用了特定的工艺步骤：模壳制备、模壳焙烧、离心浇注、热等静压等，并相应地采用了特定工艺参数协同作用下，可以实现铸件表面无污染，内部无冶金缺陷，并结合三坐标在整个过程的跟踪监控，实现尺寸精确控制。与传统的石墨型铸造相比，氧化物陶瓷型模壳精密铸造解决了钛铸件表面反应层问题，从而提高了铸件表面质量，离心铸造方法大大改善了铸件内部质量。

Claims (3)

1.一种Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，其特征在于，Ti₃Al合金导叶内环结构件直径约600mm，支板壁厚2mm，外环20个凸台圆孔，内环35个喷嘴与空腔相连，空腔呈弧状三角形；该方法的技术路径是：模型制备→尺寸检验→模型组合→尺寸检验→模壳制备→脱蜡→模壳焙烧，其中：

(1)模型制备：

①尿素型芯制备→②水溶蜡型芯制备→③1/5模型制备→④溶出型芯→⑤修模并校形→⑥整体模型组合→⑦三坐标尺寸检测；

尿素型芯采用不锈钢模具浇灌而成，采用水溶蜡压制型芯，检测尺寸；采用填充模料、20T单工位压蜡机进行压制整体模型，注蜡温度：55～70℃，注蜡时间：20～50s，保压时间：30～300s，水溶型芯脱出后，进行模型修复及校形，利用三坐标检测模型尺寸，合格后在胎具上组焊，空腔内焊缝利用专用工具进行抛修，保证光滑，无缝隙；再进行整体检测，直至合格；

(2)模壳制备：面层料浆采用270～425目氧化钇粉和有机物溶胶配制，粉液比为5.0～6.5g/ml，撒砂骨料为40～90目氧化钇，第二～十层料浆采用270～320目白刚玉与硅溶胶配制，粉液比为2.0～3.5g/ml，撒砂骨料分别为：第二～四层36#刚玉砂、第五～七层30#刚玉砂和第八～十层24#刚玉砂，每层充分干燥后涂制下一层，最后一层封浆后干燥48h，然后脱蜡、焙烧形成模壳；

采用三套模具制备模型，三套模具分别指：尿素型芯用于控制水溶型芯的尺寸，水溶蜡型芯用于导叶内环空腔的制备，针对导叶内环对称性结构特点设计1/5分体模型模具，实现复杂结构的模型制备。

2.按照权利要求1所述的Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，其特征在于，采用global classic SR9128三坐标进行尺寸检验测量；组焊胎具根据零件数模设计，采用不锈钢材料精密加工而成。

3.按照权利要求1所述的Ti₃Al合金导叶内环精密铸造用模型与模壳的制备方法，其特征在于，模壳面层材料为氧化钇，采用半自动机械手完成模壳制备，模壳干燥除控制环境温湿度外，针对导叶内环的近封闭式内腔结构，采用储气式微风装置，以保证模壳空腔内外同步干燥，前三层模壳采用微风干燥方法。