CN111451447B - 一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法，包括压制实心双联单晶导向叶片蜡模，压制螺旋选晶器、引晶块以及浇道系统；将螺旋选晶器的起始端和底盘连接，螺旋选晶器的螺旋端和引晶块连接，引晶块与叶片蜡模叶盆侧缘板组合到一起，补缩块和叶片蜡模的叶盆侧大缘板连接到一起，在引晶块和叶片蜡模的叶盆侧小缘板间连接引晶条，内浇道连接浇道盘和叶片蜡模小缘板的安装板顶端，组合成实心双联单晶导向叶片蜡模模组；对叶片蜡模模组逐层涂挂耐火涂料后进行脱蜡和烧结，制成型壳；利用型壳制备实心双联单晶导向叶片。本发明的方法使叶片单晶组织顺序凝固，可实现实心双联单晶导向叶片的精密铸造成型，可有效控制叶片的晶体缺陷。

Description

一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片精密铸造技术领域，具体涉及一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法。

背景技术

涡轮叶片是航空发动机最关键的热端部件之一，单晶合金涡轮叶片的应用显著促进了发动机效率的增加，促进了航空发动机技术的进步。单晶涡轮叶片制造技术是航空发动机技术发展的关键核心技术之一，英美等航空强国一直投入大量的资源进行单晶涡轮叶片技术开发。涡轮叶片一般分为工作叶片和导向叶片，导向叶片作为静子件存在，其结构较为复杂，为进一步提高涡轮效率及结构强度，双联导向叶片是今后的发展趋势。导向叶片主要由上缘板、叶身及下缘板组成，缘板尺寸较大及结构复杂，叶身较薄且和缘板壁厚转接差较大，叶片为无余量精密铸造，尤其双联导向叶片，其结构复杂程度对单晶叶片的晶体生长、疏松控制、再结晶控制，以及尺寸的控制带来较大的挑战，叶片制备难度较大，合格率较低。

目前，双联单晶导向叶片的研制技术仅有少数航空发动机技术强国掌握，并且相关技术细节高度保密，很难从公开的文献及报道中查到。

我国单晶导向叶片主要为单联结构，采用单联叶片分体铸造、组合焊接的方法成型。随着对发动机效率及长期服役需求的提升，分体铸造单晶导向叶片方法所带来的涡轮效率损失问题引起越来越大的关注。因此，对单晶双联导向叶片的技术需求越趋强烈，新设计的发动机涡轮导向叶片已经趋向于采用双联成型的方法制备，然而，由于双联导向叶片结构复杂、体积较大，在单晶制备过程中极易引起杂晶、疏松、再结晶等冶金缺陷，双联导向叶片涉及到的精密铸造方法是影响这类缺陷的主要因素，因此掌握双联导向叶片精密铸造方法可有效解决双联导向叶片制备问题。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法，以解决晶体缺陷及尺寸问题，实现实心双联单晶导向叶片铸造成形。

本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：

一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法，包括以下步骤：

压制实心双联单晶导向叶片蜡模，压制螺旋选晶器、引晶块以及浇道系统，所述浇道系统包括底盘、中柱管、浇道盘、浇口杯和内浇道；浇口杯、浇道盘和底盘通过中柱管连接到一起，构成主体框架，起主要承力部分，同时浇口杯和浇道盘形成金属充型通道，底盘在涂制过程中形成一水平底板，便于和单晶炉内的水冷结晶盘紧密贴合。

随后将螺旋选晶器的起始端和底盘连接，螺旋选晶器的螺旋端和引晶块连接，引晶块与实心双联单晶导向叶片蜡模叶盆侧缘板组合到一起，使螺旋端选出的晶粒通过引晶块在叶身上实现顺序凝固，使单晶组织往叶身上生长，引晶条连接引晶块和叶片蜡模的叶盆侧小缘板，使小缘板处晶体生长和叶身生长顺序保持同步，完成叶片单晶的生长。补缩块和叶片蜡模的叶盆侧大缘板连接到一起，使补缩快位于大缘板最后凝固部位，实现大缘板处金属的补缩，消除大缘板最后凝固部位的疏松缺陷。内浇道连接浇道盘和叶片蜡模的小缘板的安装板顶端，实现金属由浇道盘充型到叶片部位，并实现小缘板顶面最后凝固部位的补缩；最终组合形成实心双联单晶导向叶片蜡模模组。

对实心双联单晶导向叶片蜡模模组逐层涂挂耐火涂料，经干燥硬化后进行脱蜡和烧结，完成型壳制备(得到实心双联单晶导向叶片型壳)；

利用得到的实心双联单晶导向叶片型壳进行实心双联单晶导向叶片的制备。

其中，所述实心双联单晶导向叶片蜡模用蜡料为中温蜡，实心双联单晶导向叶片具有上下双缘板结构，以及大展弦、双联叶片叶身间距狭窄的特征；所述引晶块和浇道系统蜡料为低温蜡。

其中，所述实心双联单晶导向叶片组模后叶片排气边朝向内侧，正对中柱管，进气边朝向外侧；叶身向内倾斜，和中柱管间的夹角为30°～45°，使叶片实现单晶组织顺序凝固，完成单晶组织一体化生长及顺序补缩，降低叶片铸造残余应力，避免再结晶的形成。

其中，耐火涂料采用耐火粉料与硅溶胶，所用硅溶胶中二氧化硅含量为24～27％(重量百分比),耐火粉料和硅溶胶的重量比为(3.0～4.0):1，所用耐火粉料为锆英粉、刚玉粉、石英粉及莫来石粉中的一种或两种的组合，面层砂料为锆英粉、刚玉粉、石英粉及莫来石粉中的一种或两种的组合，型壳层数为5层至7层。

其中，型壳焙烧温度为600℃～850℃，保温时间4～8h。

其中，在利用实心双联单晶导向叶片型壳进行实心双联单晶导向叶片的制备时，定向凝固抽拉速度为1～8mm/mi n。

本发明的方法采用单晶生长一体化技术，使叶片单晶组织顺序凝固，消除最后凝固部位的疏松，降低叶片铸造残余应力，避免再结晶的形成，消除单晶生长过程中常见的杂晶、疏松及再结晶等冶金缺陷，尺寸一致性好，从而显著提升叶片的合格率，提高叶片的研制效率。

附图说明

图1是按照本发明的方法组合形成的实心双联体单晶导向叶片蜡模模组的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实心双联单晶导向叶片结构复杂、体积较大，具有上下双缘板结构，以及大展弦、双联叶片叶身间距狭窄的特征，在制备过程中极易引起杂晶、疏松、再结晶等冶金缺陷，为解决实心双联单晶导向叶片制备过程中的冶金问题，满足高性能航空发动机对双联单晶导向叶片的需求，本发明提出一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法。

具体地，在本发明的方法中，首先采用模具压制实心双联单晶导向叶片蜡模，蜡料采用中温蜡，保压时间为40秒，采用低温蜡压制螺旋选晶器，蜡模保压时间为30秒，采用蜡模引晶块模具以及浇道系统模具压制引晶块蜡模和浇道系统，蜡料采用低温蜡，所有蜡模表面的劈缝修圆滑。上述实心双联单晶导向叶片蜡模、螺旋选晶器、引晶块蜡模和浇道系统的压制方法均为本领域通常采用的一般方法，压制工艺也为本领域的技术人员所公知，为避免模糊本发明的关键实质内容，不再具体说明。

浇道系统通常均包括底盘7、中柱管8、浇道盘9、浇口杯10和内浇道6(参见图1，图1图解说明了本发明方法中组合形成的实心双联体单晶导向叶片蜡模模组，后面说明)，其中底盘7、中柱管8、浇道盘9和浇口杯10组成浇道盘结构，浇口杯10、浇道盘9和底盘7通过中柱管8连接到一起，构成主体框架，起主要承力部分，同时浇口杯和浇道盘形成金属充型通道，底盘7在涂制过程中形成一水平底板，便于和单晶炉内的水冷结晶盘紧密贴合。

随后将螺旋选晶器1的起始端和底盘7连接，螺旋选晶器1的螺旋端和引晶块2连接，引晶块2与实心双联单晶导向叶片蜡模3叶盆侧缘板组合到一起，使螺旋端选出的晶粒通过引晶块在叶身上实现顺序凝固，使单晶组织往叶身上生长，引晶条5连接引晶块2和叶片蜡模3的叶盆侧小缘板，使小缘板处晶体生长和叶身生长顺序保持同步，完成叶片单晶的生长。补缩块4和叶片蜡模3的叶盆侧大缘板连接到一起，使补缩快位于大缘板最后凝固部位，实现大缘板处金属的补缩，消除大缘板最后凝固部位的疏松缺陷。内浇道6连接浇道盘和叶片蜡模3的小缘板的安装板顶端，实现金属由浇道盘充型到叶片部位，并实现小缘板顶面最后凝固部位的补缩；如图1所示。所述实心双联单晶导向叶片组模后叶片排气边朝向内侧，正对中柱管，进气边朝向外侧；叶身向内倾斜，和中柱管间的夹角为30°～45°，组合成实心双联单晶导向叶片模组，使叶片实现单晶组织顺序凝固，一体化生长，降低叶片铸造残余应力，避免再结晶的形成。

对组合形成的实心双联单晶导向叶片蜡模模组进行耐火涂料的逐层涂挂，撒砂，经干燥硬化后进行脱蜡和烧结，完成型壳的制备。耐火涂料采用耐火粉料与硅溶胶，所用硅溶胶中二氧化硅含量为24～27％(wt),耐火粉料和硅溶胶的粉液比为(3.0～4.0):1(重量比)，所用耐火粉料为锆英粉、刚玉粉、石英粉及莫来石粉中的一种或两种，面层砂料为锆英粉、刚玉粉、石英粉及莫来石粉中的一种或两种，型壳层数为5层至7层，型壳焙烧温度为600℃～850℃，保温时间4～8h。具体地，在实施例中，壳型为7层，第一层砂料粒度为80～100目，第二层砂料粒度为60～80目，第三至六层为30～60目，第七层不撒砂。将涂制好的型壳放入蒸汽脱蜡釜中脱蜡，脱蜡压力为0.4～0.6Mpa，然后在焙烧炉中进行烧结，烧结温度为800℃，保温时间为3小时，完成型壳制备。

将制备好的型壳放入单晶炉内，所用合金为DD6合金，精炼温度为1540℃～1590℃，精炼时间为5mi n～10mi n，然后将重熔后的单晶合金熔体倒入型壳内进行实心双联导向叶片制备，定向凝固抽拉速度为1～8mm/mi n，在本例中采用4mm/mi n的定向凝固抽拉速度，抽拉结束后铸件从单晶炉内取出。

最后将出炉的叶片从模组上切割下来，经清壳后得到实心双联单晶导向叶片。

采用本发明所述方法制备的实心双联单晶导向叶片，可以避免杂晶、疏松及再结晶等冶金缺陷的产生，尺寸稳定性高，从而显著提升叶片的合格率，提高叶片的研制效率，满足发动机研制需求。

Claims (9)

1.一种实心双联单晶导向叶片的精密铸造方法，包括以下步骤：

压制实心双联单晶导向叶片蜡模(3)，压制螺旋选晶器(1)、引晶块(2)以及浇道系统，所述浇道系统包括底盘(7)、中柱管(8)、浇道盘(9)、浇口杯(10)和内浇道(6)；浇口杯(10)、浇道盘(9)和底盘(7)通过中柱管(8)连接到一起；

随后将螺旋选晶器(1)的起始端和底盘(7)连接，螺旋选晶器(1)的螺旋端和引晶块(2)连接，引晶块(2)与实心双联单晶导向叶片蜡模(3)叶盆侧缘板组合到一起，补缩块(4)和叶片蜡模(3)的叶盆侧大缘板连接到一起，引晶条(5)连接引晶块(2)和叶片蜡模(3)的叶盆侧小缘板，内浇道(6)连接浇道盘和叶片蜡模(3)的小缘板的安装板顶端，组合形成实心双联单晶导向叶片蜡模模组；

对实心双联单晶导向叶片蜡模模组逐层涂挂耐火涂料，经干燥硬化后进行脱蜡和烧结，完成型壳制备；

利用实心双联单晶导向叶片型壳进行实心双联单晶导向叶片的制备。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述实心双联单晶导向叶片蜡模用蜡料为中温蜡，所述引晶块和浇道系统蜡料为低温蜡。

3.按照权利要求1所述的方法，其中所述实心双联单晶导向叶片组模后叶片排气边朝向内侧，正对中柱管(8)，进气边朝向外侧；叶身向内倾斜，和中柱管(8)间的夹角为30°～45°。

4.按照权利要求1所述的方法，其中所述耐火涂料采用耐火粉料与硅溶胶，耐火粉料和硅溶胶的重量比为3.0～4.0:1。

5.按照权利要求4所述的方法，其中所述硅溶胶中二氧化硅含量为24～27％(重量百分比)。

6.按照权利要求4所述的方法，其中所述耐火粉料为锆英粉、刚玉粉、石英粉及莫来石粉中的一种或两种的组合，面层砂料为锆英粉、刚玉粉、石英粉及莫来石粉中的一种或两种的组合。

7.按照权利要求1所述的方法，其中型壳层数为5层至7层。

8.按照权利要求1所述的方法，其中型壳烧结温度为600℃～850℃，保温时间4～8h。

9.按照权利要求1所述的方法，其中在利用实心双联单晶导向叶片型壳进行实心双联单晶导向叶片的制备时，定向凝固抽拉速度为1～8mm/min。

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