CN109513881A - 一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法 - Google Patents
一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，该方法包括制造一套精铸模组、制备镍基高温合金籽晶段、压蜡、籽晶段与蜡模组合、模壳制备、铸造，本发明提供的方法不仅可以精确控制晶体一次结晶取向在5°以内，而且可以将二次结晶取向控制在5°以内，获得高精度的三维晶体取向要求，进而大大提高单晶涡轮叶片的服役性能和批产合格率。
Description
技术领域
本发明涉及精密铸造技术领域，具体说涉及一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法。
背景技术
航空发动机被公认为世界上最难制造的机械装备，又称之为“制造业的皇冠”。涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，它要在高温、高速、高应力的环境下工作，其结构复杂，制造难度大，附加值高，尤其是涡轮叶片中的单晶叶片，被称为是“制造业皇冠上的明珠”。但值得注意的是：1.单晶零件具有明显的各向异性，当其<001>结晶取向与服役中受应力方向相平行时，性能最好。因而一般要求铸件受应力方向与其<001>方向的夹角不能大于15°，甚至10°，否则判作报废；2.单晶零件的各向异性还表现在，<010>和<100>结晶取向沿特定方向时，其疲劳寿命会成倍提高，因而，对单晶叶片<010>和<100>结晶取向的要求已经被越来越多的发动机生产单位提出并推广；3.另外，单晶高温合金中去除了晶界强化元素，因而一旦铸件中存在晶界，晶粒完整性遭到破坏，性能便会大幅度下降。因而，合格的单晶叶片必须具有良好的晶粒完整性和达标的结晶取向。
然而，目前国内生产单位的单晶铸件都应用选晶法生产，因一次结晶取向偏离造成的报废率在8％到20％之间，因选晶失败而造成的单晶晶粒完整性破坏而造成的报废率可达到2％-3％，而二次结晶取向更是无法控制，导致国内生产的单晶叶片性能和合格率无法与国际接轨，成为瓶颈。
本发明中提出的单晶高温合金铸造方法可有效的解决这一问题，制备出晶粒完整性和结晶取向均满足要求的铸件。
发明内容
本发明的目的是提供一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，是一种可获得具有良好晶粒完整性、精控三维晶体取向的单晶动叶的铸造方法，本发明提供的方法可有效改善单晶动叶的晶粒完整性和三维晶体取向，大幅度的提高其服役性能及批产合格率。
为了实现上述方案，本发明的技术解决方案包含如下步骤：
一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制造一套精铸模组；
该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘，所述模壳包括浇口杯、亚组树结构、浇注系统、支柱和上浇道，浇口杯、上浇道和浇注系统，可根据叶片具体尺寸、重量及几何外形等进行设计；亚组树结构包括叶片、单晶动叶选晶器、籽晶段三部分组成；
(2)制备镍基高温合金籽晶段
籽晶段的正确制作为控制铸件结晶取向关键，切好的籽晶段应具有与籽晶模壳保持一定的间隙并通过基准与模壳型腔准确定位，其z轴方向应平行于籽晶段圆柱轴线,晶面z轴应平行于籽晶段基准，y轴方向应垂直于籽晶段圆柱轴线，晶面y轴应垂直于籽晶段基准；结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合上述要求的籽晶段，其z轴方向应平行于籽晶段顶部斜面的法向，y轴方向应垂直于籽晶段顶部斜面的法向，对合金块表面进行打磨、抛光和清洗，保证籽晶段表面无多余粘附物、油污和氧化皮等；
(3)压蜡
将蜡料在温度50-90℃、注射压力0.5-10Mpa条件下注入铸件和浇道蜡模模具，获得零件蜡模，浇口杯蜡模、底板蜡模和浇注系统蜡模等；
(4)籽晶段与蜡模组合
将零件与浇道、浇口杯、浇注系统、上浇道、单晶动叶选晶器、支柱、底板蜡件及切好的籽晶段等组合；
(5)模壳制备
在蜡模模组表面涂挂5-20mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下脱蜡，脱蜡后用耐火材料将浇口杯与支柱连接处堵实，防止钢水进入支柱型壳内腔，800-950℃下焙烧1-5个小时后获得单晶定向用精密铸造陶瓷型壳；
(6)铸造
将籽晶段以定位斜面为基准确定位置，通过胶水或其他手段固定；
将上述陶瓷模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1450-1600℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注如模壳中，浇注温度选择在1450-1600℃，浇注后静置50-150秒后进行抽拉，抽拉速度设置在2.5-10mm/min，拉晶结束后，随炉冷却8-20分钟后取出，切割掉浇冒系统并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
所述的涡轮叶片包括叶身、安装板内侧面、延伸段、榫头、顶针凸台和封严板。
所述的籽晶段与籽晶模壳型腔内壁之间的间隙应保证在0.1mm-0.25mm范围。
所述的籽晶段长35-50mm，能确保籽晶有部分回熔，保证叶片的晶粒取向与籽晶段的晶粒取向保持一致。
所述的单晶动叶选晶器的直径Φ2-3mm，材料为polystyrene(聚苯乙烯，灰分＜0.03％)，选晶器起始段端设计为五边形凸起定位，凸起5-10mm，选晶器起始段与叶片积叠轴平行控制叶片晶体的一次结晶取向，选晶器起始段五角定位与叶片二次结晶取向基准保持一致控制晶体的二次结晶取向，选晶器下端设计成与籽晶段相同尺寸、形状的定位槽，选晶器与籽晶段之间采用定位槽定位。
本发明所产生的有益效果为：
本发明采用特殊组树方法结合定向凝固技术等，制备出的单晶动叶晶粒完整性良好，无大角度晶界、杂晶、碎晶、等轴晶等晶粒缺陷存在。
本发明采用籽晶法同时控制单晶铸件的一次和二次结晶取向，制备出的单晶动叶结晶取向良好，铸件<001>方向和<010>方向均符合铸件的验收规范要求小于5°，因结晶取向偏离而造成的报废率降低至3％以内。
采用该方法可有效提高单晶动叶的服役性能及批产合格率。
附图说明
图1是本发明单晶动叶籽晶段三维晶体取向示意图；
图2是本发明单晶动叶选晶器示意图；
图3是本发明单晶涡轮叶片几何形状示意图；
图4是本发明中单晶动叶蜡模组树系统示意图；
图5是本发明中提到籽晶与模壳间隙设计示意图。
具体实施方式
实施例1
铸造技术方案设计：
单晶涡轮叶片如图3所示，具体包括叶身1、安装板内侧面2、延伸段3、榫头4、顶针凸台5和封严板6组成。
其精密铸造方法为，制造一套精铸模组，如图4，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘12，所述模壳包括浇口杯7、亚组树结构8、浇注系统9、支柱13和上浇道15，浇口杯7、上浇道15和浇注系统9可根据叶片具体尺寸、重量及几何外形等进行设计。亚组树结构8包括叶片14、单晶动叶选晶器10、籽晶段11三部分组成，在蜡质模组组合阶段，籽晶段11直接插入到单晶动叶选晶器10定位槽中，用粘接蜡粘接、修补，同时需要在籽晶段11外壁涂挂0.1mm-0.25mm厚浸封蜡，模组进行制壳，脱蜡后将籽晶段11取出进行清理，浇注前再放回籽晶段模壳17型腔内。
为保证单晶的晶粒完整性，单晶动叶按照如图4所示方式铸造，大致形成自下而上铸件截面尺寸逐渐变大的趋势，以防止凝固界面尺寸突增，部分区域过冷度急剧加大，造成新的晶核形成并快速长大。同时精确控制籽晶与模壳之间的间隙以及籽晶表面氧化层厚度，放置因籽晶失效而破坏铸件单晶铸件的晶粒完整性，导致报废。
制备镍基高温合金籽晶段
单晶动叶籽晶段三维晶体取向示意关系为图1，其中籽晶与模壳间隙设计示意关系如图5，籽晶段的正确制作为控制铸件结晶取向关键，切好的籽晶段应具有与籽晶模壳17保持一定的间隙16并通过基准18与模壳型腔准确定位。其z轴方向应平行于籽晶段圆柱轴线,晶面z轴应平行于籽晶段基准18，y轴向应垂直于籽晶段圆柱轴线，晶面y轴应垂直于籽晶段基准18。所述001面即为图1中XOZ面，z轴方向即为001面的法向方向,010面即为图1中XOY面，y轴方向即为010面的法向方向。
结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合上述要求的籽晶段11，其z轴方向应平行于籽晶段11顶部斜面18的法向，y轴方向应垂直于籽晶段11顶部斜面18的法向。对合金块表面进行打磨、抛光和清洗，保证籽晶段11表面无多余粘附物、油污和氧化皮等。
籽晶段11与籽晶模壳17型腔内壁之间的间隙18应保证在0.1mm-0.25mm范围。如果该间隙过大，会导致熔体浸入未重熔籽晶与模壳内壁间隙中，受到激冷而重新形核；此间隙过小，会导致升温过程中金属膨胀量过大，超过陶瓷型壳膨胀量，产生应力甚至导致模壳破裂，造成跑火，同时不便于脱蜡后籽晶段的取出及浇注前籽晶段的放置。
籽晶段11长35mm，能确保籽晶有部分回熔，保证叶片的晶粒取向与籽晶段11的晶粒取向保持一致。籽晶回熔长度应控制在30％-65％范围内，籽晶重熔部分高于或低于此范围均有可能导致籽晶取向控制失效，制备出结晶取向不合格的铸件。
压蜡
将蜡料在温度50℃、注射压力0.5Mpa条件下注入铸件和浇道蜡模模具。获得零件蜡模，浇口杯蜡模、底板蜡模和浇注系统蜡模等。
籽晶段与蜡模组合
将零件与浇道、浇口杯、浇注系统、上浇道、单晶动叶选晶器、支柱、底板蜡件及切好的籽晶段等组合。
模壳制备
在蜡模模组表面涂挂5mm厚的精密铸造模壳17，然后在120℃下脱蜡，脱蜡后用耐火材料将浇口杯7与支柱13连接处堵实，防止钢水进入支柱型壳内腔，800℃下焙烧1个小时后获得单晶定向用精密铸造陶瓷型壳。
铸造
将籽晶段11以定位斜面18为基准确定位置，通过胶水或其他手段固定。
将上述陶瓷模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1450℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注如模壳中，浇注温度选择在1450℃，浇注后静置50秒后进行抽拉，抽拉速度设置在2.5mm/min。拉晶结束后，随炉冷却8分钟后取出，切割掉浇冒系统并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
如图2所述的单晶动叶选晶器，采用直径Φ2mm，材料为polystyrene(聚苯乙烯，灰分＜0.03％)，选晶器起始段端设计为五边形凸起定位，凸起5mm，选晶器起始段与叶片积叠轴平行控制叶片晶体的一次结晶取向，选晶器起始段五角定位与叶片二次结晶取向基准保持一致控制晶体的二次结晶取向，选晶器下端设计成与籽晶段相同尺寸、形状的定位槽，选晶器与籽晶段之间采用定位槽定位。
实施例2
铸造技术方案设计：
单晶涡轮叶片如图3所示，具体包括叶身1、安装板内侧面2、延伸段3、榫头4、顶针凸台5和封严板6组成。
其精密铸造方法为，制造一套精铸模组，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘12，所述模壳包括浇口杯7、亚组树结构8、浇注系统9、支柱13和上浇道15，浇口杯7、上浇道15和浇注系统9可根据叶片具体尺寸、重量及几何外形等进行设计。亚组树结构8包括叶片14、单晶动叶选晶器10、籽晶段11三部分组成，在蜡质模组组合阶段，籽晶段11直接插入到单晶动叶选晶器10定位槽中，用粘接蜡粘接、修补，同时需要在籽晶段11外壁涂挂0.1mm-0.25mm厚浸封蜡，模组进行制壳，脱蜡后将籽晶段11取出进行清理，浇注前再放回籽晶段模壳17型腔内。
为保证单晶的晶粒完整性，单晶动叶按照如图4所示方式铸造，大致形成自下而上铸件截面尺寸逐渐变大的趋势，以防止凝固界面尺寸突增，部分区域过冷度急剧加大，造成新的晶核形成并快速长大。同时精确控制籽晶与模壳之间的间隙以及籽晶表面氧化层厚度，放置因籽晶失效而破坏铸件单晶铸件的晶粒完整性，导致报废。
制备镍基高温合金籽晶段
单晶动叶籽晶段三维晶体取向示意关系为图1，其中籽晶与模壳间隙设计示意关系如图5，籽晶段的正确制作为控制铸件结晶取向关键，切好的籽晶段应具有与籽晶模壳17保持一定的间隙16并通过基准18与模壳型腔准确定位。其z轴方向应平行于籽晶段圆柱轴线,晶面z轴应平行于籽晶段基准18，y轴向应垂直于籽晶段圆柱轴线，晶面y轴应垂直于籽晶段基准18。所述001面即为图1中XOZ面，z轴方向即为001面的法向方向,010面即为图1中XOY面，y轴方向即为010面的法向方向。
结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合上述要求的籽晶段11，其z轴方向应平行于籽晶段11顶部斜面18的法向，y轴方向应垂直于籽晶段11顶部斜面18的法向。对合金块表面进行打磨、抛光和清洗，保证籽晶段11表面无多余粘附物、油污和氧化皮等。
籽晶段11与籽晶模壳17型腔内壁之间的间隙18应保证在0.1mm-0.25mm范围。如果该间隙过大，会导致熔体浸入未重熔籽晶与模壳内壁间隙中，受到激冷而重新形核；此间隙过小，会导致升温过程中金属膨胀量过大，超过陶瓷型壳膨胀量，产生应力甚至导致模壳破裂，造成跑火，同时不便于脱蜡后籽晶段的取出及浇注前籽晶段的放置。
籽晶段11长50mm，能确保籽晶有部分回熔，保证叶片的晶粒取向与籽晶段11的晶粒取向保持一致。籽晶回熔长度应控制在30％-65％范围内，籽晶重熔部分高于或低于此范围均有可能导致籽晶取向控制失效，制备出结晶取向不合格的铸件。
压蜡
将蜡料在温度90℃、注射压力10Mpa条件下注入铸件和浇道蜡模模具。获得零件蜡模，浇口杯蜡模、底板蜡模和浇注系统蜡模等。
籽晶段与蜡模组合
将零件与浇道、浇口杯、浇注系统、上浇道、单晶动叶选晶器、支柱、底板蜡件及切好的籽晶段等组合。
模壳制备
在蜡模模组表面涂挂5-20mm厚的精密铸造模壳17，然后在200℃下脱蜡，脱蜡后用耐火材料将浇口杯7与支柱13连接处堵实，防止钢水进入支柱型壳内腔，950℃下焙烧5个小时后获得单晶定向用精密铸造陶瓷型壳。
铸造
将籽晶段11以定位斜面18为基准确定位置，通过胶水或其他手段固定。
将上述陶瓷模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1600℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注如模壳中，浇注温度选择在1600℃，浇注后静置150秒后进行抽拉，抽拉速度设置在10mm/min。拉晶结束后，随炉冷却20分钟后取出，切割掉浇冒系统并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
如图2所述的单晶动叶选晶器采用直径Φ2-3mm，材料为polystyrene(聚苯乙烯，灰分＜0.03％)，选晶器起始段端设计为五边形凸起定位，凸起10mm，选晶器起始段与叶片积叠轴平行控制叶片晶体的一次结晶取向，选晶器起始段五角定位与叶片二次结晶取向基准保持一致控制晶体的二次结晶取向，选晶器下端设计成与籽晶段相同尺寸、形状的定位槽，选晶器与籽晶段之间采用定位槽定位。
Claims (5)
1.一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制造一套精铸模组；
该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘，所述模壳包括浇口杯、亚组树结构、浇注系统、支柱和上浇道，浇口杯、上浇道和浇注系统，可根据叶片具体尺寸、重量及几何外形等进行设计；亚组树结构包括叶片、单晶动叶选晶器、籽晶段三部分组成；
(2)制备镍基高温合金籽晶段
籽晶段的正确制作为控制铸件结晶取向关键，切好的籽晶段应具有与籽晶模壳保持一定的间隙并通过基准与模壳型腔准确定位，其z轴方向应平行于籽晶段圆柱轴线,晶面z轴应平行于籽晶段基准，y轴方向应垂直于籽晶段圆柱轴线，晶面y轴应垂直于籽晶段基准；结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合上述要求的籽晶段，其z轴方向应平行于籽晶段顶部斜面的法向，y轴方向应垂直于籽晶段顶部斜面的法向，对合金块表面进行打磨、抛光和清洗，保证籽晶段表面无多余粘附物、油污和氧化皮等；
(3)压蜡
将蜡料在温度50-90℃、注射压力0.5-10Mpa条件下注入铸件和浇道蜡模模具，获得零件蜡模，浇口杯蜡模、底板蜡模和浇注系统蜡模等；
(4)籽晶段与蜡模组合
将零件与浇道、浇口杯、浇注系统、上浇道、单晶动叶选晶器、支柱、底板蜡件及切好的籽晶段等组合；
(5)模壳制备
在蜡模模组表面涂挂5-20mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下脱蜡，脱蜡后用耐火材料将浇口杯与支柱连接处堵实，防止钢水进入支柱型壳内腔，800-950℃下焙烧1-5个小时后获得单晶定向用精密铸造陶瓷型壳；
(6)铸造
将籽晶段以定位斜面为基准确定位置，通过胶水或其他手段固定；
将上述陶瓷模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1450-1600℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注如模壳中，浇注温度选择在1450-1600℃，浇注后静置50-150秒后进行抽拉，抽拉速度设置在2.5-10mm/min，拉晶结束后，随炉冷却8-20分钟后取出，切割掉浇冒系统并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
2.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，其特征在于，所述的涡轮叶片包括叶身、安装板内侧面、延伸段、榫头、顶针凸台和封严板。
3.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，其特征在于，所述的籽晶段与籽晶模壳型腔内壁之间的间隙应保证在0.1mm-0.25mm范围。
4.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，其特征在于，所述的籽晶段长35-50mm，能确保籽晶有部分回熔，保证叶片的晶粒取向与籽晶段的晶粒取向保持一致。
5.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的单晶高温合金叶片的铸造方法，其特征在于，所述的单晶动叶选晶器的直径Φ2-3mm，材料为polystyrene(聚苯乙烯，灰分＜0.03％)，选晶器起始段端设计为五边形凸起定位，凸起5-10mm，选晶器起始段与叶片积叠轴平行控制叶片晶体的一次结晶取向，选晶器起始段五角定位与叶片二次结晶取向基准保持一致控制晶体的二次结晶取向，选晶器下端设计成与籽晶段相同尺寸、形状的定位槽，选晶器与籽晶段之间采用定位槽定位。
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