CN111318646A - 一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，本发明针对细长的大尺寸薄壁涡轮叶片，通过控制涡轮叶片凝固时的温度场，使涡轮叶片不同厚度的部位均形成均匀等轴晶，解决了该类型铸件排气边薄壁区域易出现柱状晶和激冷晶的问题；同时通过涡轮叶片的顺序凝固显著改善叶身疏松情况，提高了涡轮叶片的合格率，降低叶片研制成本。

Description

一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法
技术领域
本发明是一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，属精密铸造技术领域。
背景技术
在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40％～60％。发动机推重比量级的每一次提高，无不强烈地依赖于高温合金的进步。随着发动机推重比不断增大，涡轮进口温度大幅提高，涡轮叶片材料从等轴晶合金逐渐发展到定向、单晶合金，其承温能力不断提高。目前定向、单晶合金已成为航空发动机涡轮叶片的主导材料，但是等轴晶高温合金在承温稍低的涡轮叶片、整体叶盘、大型复杂薄壁结构件以及其它高温结构件上仍有广泛应用，如K465、K403、K417G、MAR-M200、IN100、ЖС6K、ЖС6У等，可显著降低叶片制造难度及成本。如CFM56-5/7发动机中低压涡轮叶片采用IN100和Rene77合金；V2500发动机低压涡轮叶片采用普通铸造合金IN100和IN713合金。俄罗斯Д-30КП发动机(伊尔76飞机的动力装置)四级低压涡轮叶片均采用普通铸造合金ЖС6У-ВИ(国内仿制合金K465)。这些叶片的共同特点是尺寸较大，其叶片长度可达200mm以上，而弦宽较小，展弦比较大，如Д-30КП发动机VI级涡轮叶片长度高达256mm，而最大弦宽为40mm。此外，等轴晶合金在燃气轮机高温部件(工作叶片、导向叶片、涡轮喷嘴等)上也有广泛应用，如GJP450、U500、Rene80、X-40、In738、In792、In939、GTD 111、GTD222、ЧС88y-ВИ、ЧС91、ЧС104、BX4Л等，重型燃机涡轮叶片长度可达400mm以上。
目前等轴晶涡轮叶片均采用精密铸造工艺制备，由于叶片的尺寸、结构等因素，在浇注过程中易产生表面晶粒粗大、柱状晶、激冷晶等表面晶粒缺陷，比如叶片的排气边壁厚薄，极易产生柱状晶、激冷晶等晶粒缺陷。晶粒过大、超出标准要求的柱状晶和激冷晶均会使叶片的力学性能降低。因此，在涡轮叶片生产中，如何对其晶粒度进行有效控制，对于改善涡轮叶片质量、避免缺陷、提高产品合格率具有十分重要的意义。一般控制铸件晶粒有三种方法：热控法、机械法和化学法。化学法是通过加入孕育剂、细化剂，增加外来结晶核心来使铸件晶粒得到细化。对于要求表面细晶的高温合金涡轮叶片类铸件，多采用铝酸钴作为表面晶粒细化剂，可显著细化叶片的表面晶粒，但是对于排气边壁厚较薄的叶片，化学法不能抑制排气边柱状晶的形成。机械法包括电磁搅拌、超声振荡和机械旋转振动法，其原理是利用液体金属的惯性力冲刷、剪切凝固界面的枝晶，有效增加液体金属中的结晶核心，获得均匀的等轴细晶组织。机械法多用于整体结构件的生产，涡轮叶片由于凝固速度太快，并不适合采用机械法。而热控法是工业上比较简单实用的晶粒细化方法，是通过严格控制型壳温度和浇注温度，调整合金凝固过程中的温度梯度、合金的过冷度和细化剂中细化颗粒的非均匀形核数，达到限制晶粒长大的目的，从而获得细晶铸件。为获得较细的晶粒，此法需要较低的浇注温度，温度过低会带来严重的疏松缺陷且不能完全解决排气边柱状晶问题，致使铸件合格率极低，成本较高。此外还有通过增设工艺筋或在型壳内部植入保温材料，改变叶片凝固时的局部温度场，以解决铸件排气边柱状晶和激冷晶的控制问题，但这种方法只能在一定程度上减轻排气边柱状晶和激冷晶的问题，并不能完全解决。
采用普通精密铸造方法进行细长的大尺寸涡轮叶片生产时，叶片排气边等薄壁区域易形成柱状晶和激冷晶，而且合金溶液在瞬间凝固，补缩困难，极易产生疏松、气孔等铸造缺陷，同时非金属氧化物夹杂无法上浮去除，叶身内部易形成夹杂等冶金缺陷，难以满足铸件的冶金质量要求。因此对于细长的大尺寸薄壁涡轮叶片而言，在控制晶粒度的同时还要保证叶片冶金质量，对铸造工艺是非常大的挑战。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点，针对细长的大尺寸薄壁涡轮叶片设计提供了一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其目的是消除柱状晶和激冷晶，使叶片形成均匀的等轴晶，同时使叶片具有良好的冶金质量，提高铸件合格率，降低成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法是在双区加热的真空感应定向炉中完成高温合金涡轮叶片浇铸，真空感应定向炉的上区壳型加热器11的加热温度高于下区壳型加热器12的加热温度，浇铸完成后，让壳型4匀速向下移出加热区，而仍在加热器中的壳型4仍处于高温下，合金保持液态，壳型4的向下移动使合金熔体按一定的温度梯度实现顺序凝固，在凝固过程中固液界面前沿的温度梯度保持在10℃/cm以下，壳型4匀速下移的抽拉速率为10～20mm/min以实现快速凝固，使涡轮叶片不同厚度的部位不形成定向结晶组织，而是形成均匀等轴晶晶粒。
在一种实施中，所用壳型4为等轴晶精密铸造壳型，底部封闭。
在一种实施中，在真空感应定向炉的结晶器8上放置陶瓷棉7用于与壳型4之间进行隔热，以减少涡轮叶片凝固时通过结晶器的热传导，降低固液界面前沿液相中的温度梯度。
在一种实施中，真空感应定向炉的上区壳型加热器11的加热温度为合金的液相线温度±10℃，下区壳型加热器12的加热温度为合金的固相线温度-20℃。下区壳型加热器12内的壳型4的加热温度较低是为了在壳型移出加热器时合金快速凝固，增强壳型4四周辐射散热；上区壳型加热器12内的壳型4加热温度较高是为了使壳型中的合金熔体温度不会快速下降，保持液态。
在一种实施中，壳型4加热到温后保温30min以上使其温度充分均匀，再进行浇铸。
在一种实施中，合金熔体的浇铸温度为1460℃～1500℃。
在一种实施中，当壳型4全部移出加热器后，快降到底，破真空出炉。壳型4快速向下抽拉到底是为了节省时间，降低叶片生产成本。
在一种实施中，在壳型4浇口杯内放置陶瓷过滤网以减少夹杂。
本发明技术方案采用顺序凝固工艺，其原理是在双区加热的定向凝固炉中，采用较高的壳型温度和浇注温度，浇铸完毕后壳型匀速向下移动，壳型移出加热器部分的合金熔体快速凝固，而仍在加热器中的壳型处于高温下，合金保持液态，从而实现叶片的顺序凝固。本发明技术方案中，凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度较低，壳型向四周辐射散热较快，而壳型出加热器后的凝固速率较高，因此涡轮叶片铸件不形成定向结晶组织，而是形成均匀等轴晶。在实际应用中，壳型温度、浇注温度和抽拉速度的设定应根据合金的种类、叶片的形状和尺寸进行适当调整。
本发明与普通定向凝固工艺的显著差别在于定向凝固工艺的壳型温度为1500℃左右，主要依靠水冷结晶器单向散热而形成定向柱晶或单晶，其结晶前沿温度较高，温度梯度较大，凝固速度较慢；而本发明的壳型温度显著低于定向凝固工艺的，下区壳型温度为合金的固相线温度～固相线-20℃(不超过1300℃)，上区壳型温度为合金的液相线温度±10℃，主要依靠壳型向四周辐射散热，其结晶前沿温度较低，温度梯度较小，凝固速度较快，从而形成均匀的等轴晶。
采用本发明的顺序凝固工艺，可完全消除叶片表面的柱状晶和激冷晶。对于不要求表面细化的叶片，表面晶粒度可控制在3～6级(按HB20057)；对于要求表面细晶的涡轮叶片，可在型壳面层加入铝酸钴后，采用本发明可将叶片表面晶粒度控制在1～2级(按HB20057)。
本发明技术方案的特点及有益效果为：
一、本发明技术方案针对大尺寸薄壁涡轮叶片的铸造难题提供了一种有效的解决办法，所述大尺寸薄壁涡轮叶片的长度一般超过200mm，且弦宽较小，展弦比较大；本发明技术方案采用底部封闭的普通熔模铸造壳型，并且在定向炉的结晶器上放置陶瓷棉进行隔热，以减少涡轮叶片凝固时通过结晶器的热传导，使固液界面前沿液相中的温度梯度GL降低至10℃/cm以下；同时本发明采用的下区壳型温度为合金的固相线温度～固相线-20℃，而上区壳型温度为合金的液相线温度±10℃，通过控制凝固前沿较低的壳型温度增强壳型四周辐射散热，使壳型四周散热和通过结晶器散热的速率相当，从而使涡轮叶片快速凝固形成均匀等轴晶，同时晶粒不会过于粗大；上区壳型温度较高使合金液温度不会快递下降，以保证内部显微疏松良好；并且采用较高浇注温度(1460℃～1500℃)，使合金液具有良好的充型性，保证涡轮叶片排气片等薄壁部位的顺利充型；
二、与普通铸造工艺相比，本发明采用了较高的壳型温度，凝固较慢，叶片在凝固过程中均匀形核，从而形成均匀的等轴晶，完全消除叶片排气边等薄壁区域的柱状晶和激冷晶；
三、叶片凝固过程中凝固前沿始终有液体金属补充，补缩较充分，从而明显改善铸件的内部疏松，提高铸件合格率；同时不需要像普通铸造工艺一样设置巨大的冒口，从而大大简化浇注系统，提高材料的利用率，降低叶片生产成本；
四、普通铸造工艺通常要求快速浇注以保证充型，而本发明采用了较高的壳型温度，叶片不会在浇注的瞬间凝固，不存在充型问题，可采用较慢的浇注速度，因此可在浇口杯中放置孔径较小的过滤网，有利于过滤夹杂；此外凝固区上部始终有熔融金属，有利于夹杂上浮至浇道部位。这都有利于铸件中夹杂缺陷的控制，提高铸件合格率。
附图说明
图1是本发明方法的实施装置及工艺示意图
图2是本发明方法实施例1中顺序凝固工艺制备的涡轮工作叶片表面晶粒度照片
图中：1石墨盖板，2辐射热，3辐射挡板I，4壳型，5辐射挡板II，6水冷环，7陶瓷棉，8结晶器，9下移方向，10感应圈，11上区壳型加热器，12下区壳型加热器，13壳型浇口杯
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
本发明所述控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法的具体步骤如下：
步骤一、制备蜡模：
采用注射成形方式压制叶片蜡件，注射温度、压力等工艺参数根据叶片的结构和尺寸确定；再将叶片蜡件与浇注系统组合成蜡模模组，叶片竖直摆放，榫头等厚大部位朝上；
步骤二、制备型壳：
采用普通熔模精密铸造壳型制备工艺，将蜡模模组涂挂涂料，撒砂后晾干，如此涂挂、撒砂、晾干6～8遍后，即形成底部封闭的型壳，型壳用高压蒸汽脱除蜡模，再经高温焙烧后制得具有足够高温强度和良好退让性的陶瓷型壳；
步骤三、叶片浇铸：
参见附图1所示，该浇铸所使用的双区加热的真空感应定向炉包括顶部的石墨盖板1，炉体中部为上区壳型加热器11和下区壳型加热器12，中间以辐射挡板I3分开，下区壳型加热器12底部设置辐射挡板II5，在结晶器8上放置陶瓷棉7进行隔热，然后将壳型4放置其上，壳型浇口杯13内放置陶瓷过滤网，以减少夹杂；
壳型4升入壳型加热器内通过感应圈10产生的辐射热2加热，下区壳型温度设定为合金的固相线温度～固相线-20℃，上区壳型温度设定为合金的液相线温度±10℃，壳型4到温后保温30min以上使其温度充分均匀；当合金熔体达到1460℃～1500℃时将合金熔体缓慢浇注至壳型4中，浇注完毕后，壳型4以10～20mm/min的速率匀速沿下移方向9向下移出壳型加热器，当壳型4全部移出壳型加热器后，即可快降至底部，破真空出炉，冷却2小时以上方可清壳；
步骤四、叶片检验：
叶片经切除浇注系统后，对叶片表面进行化学腐蚀后检查表面晶粒度，对于表面晶粒度超出标准要求的叶片作报废处理；采用荧光、X射线检测叶片表面和内部冶金质量，如发现疏松、夹杂等冶金缺陷超出标准要求的则叶片作报废处理。
实施例1
某发动机低压三级涡轮工作叶片的研制。该叶片为带冠实心叶片，形状细长，长度约250mm，叶身最大厚度约3mm，排气边厚度约为0.8mm，单个叶片毛坯重约380g，采用等轴晶镍基高温合金K465(固相线温度1300℃，液相线温度1340℃)研制，晶粒度要求为叶身4-7级(按HB 20057)，不允许有激冷晶和垂直柱状晶。试验初期采用普通铸造工艺，4片/组，在叶冠和榫头两端都设置了粗大的冒口进行补缩，并采用了高大的浇口杯以形成足够的压头，每炉用料7Kg。此外还采取了对浇道、浇口杯包裹陶瓷棉进行保温以加强补缩等措施。但叶片因柱状晶、激冷晶以及晶粒过大等晶粒度超标问题而报废的比例超过50％以上。并且不论试验参数如何调整，因叶身细长难以补缩，叶身上始终存在严重的疏松(超过ASTM E1921/8”照片5)，难以满足铸件的冶金质量要求。此外，因普通铸造工艺要求快速浇注以避免产生冷隔，无法在浇口杯中安置陶瓷过滤网，导致叶片夹杂超标比例高达30％左右。
采用本发明的上述步骤制备该种发动机低压三级涡轮工作叶片，首先简化了浇注系统，浇口杯降低高度，冒口缩小，8片/组，平均用料从1.8Kg/叶片下降至1Kg/叶片。同时在浇口杯13内放置陶瓷过滤网，使叶片由于夹杂而导致的报废率从30％左右下降到5％以下。采用的顺序凝固工艺参数如下：下区壳型温度1290℃，上区壳型温度1340℃，壳型温度达到预定值后，保温30min以上；浇注温度：1490℃，抽拉速度10～15mm/min。试验结果表明采用顺序凝固工艺，叶片表面晶粒度均匀，晶粒度为4～5级，如图2所示，同时叶身疏松情况显著改善，能够满足叶片技术条件对冶金质量的要求，铸件合格率可达60～80％。试验结果还表明随着壳型温度升高，内部疏松进一步改善，但同时导致晶粒显著长大，当下区壳型温度达到1330℃时其晶粒度已超过8级，壳型温度继续升高将导致生成粗大的柱状晶，上、下区温差过大将导致叶片晶粒度不均匀，后凝固部分的晶粒度明显增大；浇注温度对内部疏松和晶粒度的影响不如壳型温度显著，但浇注温度超过1500℃时将导致疏松恶化。此外抽拉速度过快也不利于改善疏松。
实施例2
某发动机低压五级涡轮工作叶片的研制。该叶片为带冠实心叶片，形状细长，长度约230mm，叶身最大厚度约2mm，排气边厚度约为0.8mm，单个叶片毛坯重约200g，采用等轴晶镍基高温合金K417G(固相线温度1281℃，液相线温度1327℃)研制，采用表面晶粒细化工艺，晶粒度要求为1-3级。试验初期采用普通铸造工艺，4片/组，每炉用料7Kg，叶片因柱状晶等晶粒度超标问题而报废的比例超过30％以上，并且叶身存在严重的疏松(超过ASTME1921/8”照片5)。
采用本发明的上述步骤制备该种发动机低压五级涡轮工作叶片，首先简化了浇注系统，6片/组，平均用料从1.8Kg/叶片下降至1.25Kg/叶片。采用的顺序凝固工艺参数如下：下区壳型温度1280℃，上区壳型温度1320℃，壳型温度达到预定值后，保温30min以上；浇注温度：1490℃，抽拉速度10～15mm/min。试验结果表明采用顺序凝固工艺，叶片表面晶粒度均匀，晶粒度为1～2级，没有柱状晶出现；同时叶身疏松情况显著改善，能够满足叶片技术条件对冶金质量的要求，铸件合格率可达60％，显著降低了叶片研制成本。

Claims (8)

1.一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：该方法是在双区加热的真空感应定向炉中完成高温合金涡轮叶片浇铸，真空感应定向炉的上区壳型加热器(11)的加热温度高于下区壳型加热器(12)的加热温度，浇铸完成后，让壳型(4)匀速向下移出壳型加热器，使壳型(4)内的合金熔体按一定的温度梯度实现顺序凝固，在凝固过程中固液界面前沿的温度梯度保持在10℃/cm以下，壳型(4)匀速下移的抽拉速率为10～20mm/min以实现快速凝固，使涡轮叶片不同厚度的部位不形成定向结晶组织，而是形成均匀等轴晶晶粒。
2.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：所用壳型(4)为等轴晶精密铸造壳型，底部封闭。
3.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：在真空感应定向炉的结晶器(8)上放置陶瓷棉(7)用于与壳型(4)之间进行隔热，以减少涡轮叶片凝固时通过结晶器的热传导，降低固液界面前沿液相中的温度梯度。
4.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：真空感应定向炉的上区壳型加热器(11)的加热温度为合金的液相线温度±10℃，下区壳型加热器(12)的加热温度为合金的固相线温度-20℃。
5.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：壳型(4)加热到温后保温30min以上使其温度充分均匀，再进行浇铸。
6.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：合金熔体的浇铸温度为1460℃～1500℃。
7.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：当壳型(4)全部移出壳型加热器后，快降到底，破真空出炉。
8.根据权利要求1所述的控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，其特征在于：在壳型(4)浇口杯内放置陶瓷过滤网以减少夹杂。
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