CN111940679B - 一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法。包括：浇注系统的组合；对蜡模模组进行型壳的制造；将型壳放入三室真空炉完成浇注，铸件采用浇注温度为1480℃，拉晶速度4mm/min。其中，浇注系统的组合具体包括：确立模组底盘的直径；确定叶片的工艺外延；确定起始段在模组底盘上的位置；确定模组中直管的高度；连接浇注系统充型路径；设置同中直管及浇口杯连接的横浇道；在中直管上方连接浇口杯；通过对浇注系统的组合方式的设计优化，成功解决了柱状晶在排气边位置的断晶、斜晶、露头晶等冶金缺陷问题，并有效控制了铸件在浇注过程中的变形。

Description

一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法

技术领域

本发明属于熔模精密铸造领域，特别涉及一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法。

背景技术

新一代航空发动机高压涡轮导向器叶片多为气冷结构的双联定向空心叶片，具有空心、薄壁、复杂、宽弦等几何结构特征，熔模铸造方面存在晶粒度、疏松、裂纹等技术难点，同时拉晶过程中随着温度场的变化，合金及壳、芯间的匹配收缩等问题尺寸控制难度较大。

目前，空心气冷双联体结构的导向器叶片采用定向结晶工艺铸造在国内尚属起步阶段，因此可借鉴的资料较少，本发明的双联定向空心叶片的浇注系统设计，对保证该类型叶片的研制交付，助推新型发动机的研制批产具有重大意义。

针对现有双联定向空心叶片浇注系统对柱状晶生长取向控制水平的不足及其它冶金问题，本发明提供一种浇注系统的设计方法，其目的是控制双联定向空心叶片柱状晶的生长方向，确保控制柱状晶生长的偏离度及发散度，偏离度即柱状晶生长方向与叶片主轴的夹角，发散度即相邻两柱状晶偏离夹角，同时提高稳定叶片的冶金质量，提高叶片精铸合格率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法。通过对浇注系统的组合方式的设计优化，成功解决了柱状晶在排气边位置的断晶、斜晶、露头晶等冶金缺陷问题，并有效控制了铸件在浇注过程中的变形。

一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法，包括如下步骤：

1)浇注系统的组合；

2)对蜡模模组进行型壳的制造；

3)将型壳放入三室真空炉完成浇注，铸件采用浇注温度为1480℃，拉晶速度4mm/min。

其中，浇注系统的组合具体采取以下方式：

步骤一：确立模组底盘的直径。由叶片的轮廓尺寸及摆放叶片数量选取合适的三室真空炉。为避免模组突出于三室真空炉结晶器导致拉晶过程出现刮碰，模组底盘的直径应小于三室真空炉结晶器直径5-10mm；为避免生成型壳后底部不平，可采用铝制模组底盘代替熔模铸造通用的蜡制模组底盘。

步骤二：确定叶片的工艺外延。在每片叶片蜡模模具设计时附带内浇口及起始段。叶片蜡模模具设计制造时附带内浇口及起始段工艺外延，可以减少蜡模与浇道间拼焊焊缝的数量，从而降低夹杂几率，并减少人为操作提高铸件一致性。

(1)选取浇注系统的浇筑方向。选取浇注系统的浇筑方向为〈001〉方向。〈001〉方向即竖直方向，通常是z向，使浇注系统的〈001〉方向处在叶片两叶身主轴夹角的角平分线上，使每片叶片的两叶身晶粒取向与〈001〉方向的夹角均等，配合浇注温度及拉晶速度，保证叶身内外辐射散热均匀，使得两叶身柱状晶粒沿着竖直方向生长，取向偏离度及发散度符合设计要求。

(2)设置起始段位置。结合双联定向空心叶片中叶片下缘板包含叶身进气边、叶身排气边及中间安装边三处凸起部位的几何特点，将起始段位置设置在这三个凸起部位，并同时引晶，从而达到对叶身部位引入足够的形核晶粒数量，避免柱状晶从模组底盘生长到叶身部位产生宽晶问题。

起始段的设置沿着叶片下缘板的叶身进气边侧外沿、叶身排气边侧外沿及叶片中间安装边的底部轮廓，进而顺着竖直方向延伸出起始段，起始段的竖直方向最小高度为25mm-30mm，使起始段能通过其侧壁的几何约束淘汰生长偏离于竖直〈001〉方向的晶粒，即实现侧壁阻挡晶粒生长，避免与竖直热流方向取向偏差大的柱晶生长入叶身，同时也可方便蜡件从模具中取出。

(3)设置内浇口位置。在叶片上缘板的高点位置及两端设置补缩内浇口，内浇口为楔形，设置10-15°上宽下窄的拔模，竖直方向最小高度为15mm，从而避免铸件上缘板的高点产生缩松等冶金缺陷。

步骤三：确定起始段在模组底盘上的位置。按照起始段底部端面对模组底盘进行投影，单片叶片起始段底面形成3个平行四边形投影，同时在模组底盘上端面做投影标记，在每个投影标记位置上对应粘贴长度方向各长于起始段两个端面5mm，高、宽10mm的长方体凸台，模组底盘圆心与起始段投影位置三上的长方体凸台内侧间的距离D1在50mm以上，起始段投影位置一上的长方体凸台最外侧与模组底盘外沿距离D2在20mm以上，两片叶片最小距离D3在30mm以上。然后将带有工艺外延的叶片通过粘接蜡连接于对应投影的长方体凸台上，完成起始段与模组底盘的连接。

步骤四：确定模组中直管的高度。中直管为直径25mm的圆柱，起到形成通路并支撑顶部浇口杯及整个模组的作用。中直管高度可视叶片起始段+叶片纵向轮廓高度+叶片上缘板内浇口高度情况而定，并对中直管在竖直高度上平齐于叶片上缘板内浇口的高度上粘贴封堵陶瓷片，陶瓷片为直径30mm，厚度5mm的圆柱状，形成顶注的浇注系统。在陶瓷片上端面再接着拼焊20mm高，直径25mm的圆柱状浇道，使中直管有足够的距离来连接各片叶片的横浇道及顶部的浇口杯。

步骤五：连接浇注系统充型路径。在内浇口上端，沿着叶片上缘板的边缘组焊两处上冒口，进气边侧上冒口连接内浇口一、内浇口二、内浇口三上端，排气边侧上冒口连接内浇口四、内浇口五上端，上冒口为长方体形状，且呈水平角度方向摆放，便于后续连通横浇道。

步骤六：设置同中直管及浇口杯连接的横浇道。对每片叶片采用各自独立的横浇道，为此每条横浇道外端设置在各自叶片的叶身进气边侧上冒口的中间位置，另一端连接到中直管的陶瓷片上方以形成通路，每条横浇道底部端面中间位置与各自叶片的叶身排气边侧上冒口连通。

为控制叶片变形避免叶身与叶片缘板过渡位置开裂，在缘板飞角外沿采用拉筋的方式来控制变形量。缘板飞角外沿工艺筋的尺寸为宽4mm厚2mm，长度能够连接叶片上下缘板的角部即可。

步骤七：在中直管上方连接浇口杯，并在横浇道一、横浇道二、横浇道三中间分别连接一处排气口，设置为直径8mm的圆柱弯管，另一端连接于浇口杯外沿，便于金属液充型过程排气，完成浇注系统组合。

本发明的有益效果：通过将模组竖直方向设置在叶片两叶身主轴夹角的角平分线上，进而兼顾两个叶身的柱晶生长方向，同时，配合优选的浇注温度和拉晶速率，彻底解决了柱状晶的取向生长偏离的问题，从而提高了双联定向空心叶片的铸件合格率。

(1)本发明中叶片起始段通过其自身几何特征约束柱晶的生长方向，淘汰生长偏离的晶粒，同时采用叶身进气边、叶身排气边及叶片中间安装边多通道的引晶方式能够增大叶片起始段的引晶数量，有效解决叶身位置的宽晶问题。

(2)本发明通过模具设计采取叶片工艺外延，减少蜡件组合焊缝，减少夹杂缺陷。

(3)本发明通过叶片上缘板的高点部位设置上冒口，有利于叶片的补缩，有效解决了铸件的上缘板疏松问题。

(4)本发明通过采取顶注的方式，在模组中直管上封堵陶瓷片提高充型压力，避免空心叶片排气边欠铸问题，同时节省金属料。

(5)本发明在叶片缘板飞角外沿设置工艺拉筋，有效解决了缘板变形引起的缘板与叶身转接过渡位置的裂纹问题。

(6)本发明通过对浇注系统的合理布局设计，能够提高叶片浇注的效率，每片叶片都通过相对独立的横浇道连接，并形成径向对称环状分布，使每个叶片的温度场均匀，散热状态一致。

附图说明

图1是本发明的双联定向空心叶片浇注系统三维示意图；

图2是本发明中浇注系统的模组底盘平面示意图；

图3是本发明中双联定向空心叶片浇注系统的二维示意图。

符号说明：

1-模组底盘；2-内浇口、2.1-内浇口一、2.2-内浇口二、2.3-内浇口三、2.4-内浇口四、2.5-内浇口五；3-起始段、3.1-起始段一、3.2-起始段二、3.3-起始段三；4-叶片，4.1-叶片一、4.1.1-叶身一、4.1.1.1-叶身进气边一、4.1.2-叶身二、4.1.2.1-叶身进气边二、4.1.2.2-叶身排气边二、4.2-叶片二、4.3-叶片三；5-叶片下缘板；6-叶片上缘板；7-叶片中间安装边；8-中直管投影位置；9-中直管；10-陶瓷片；11-排气边侧上冒口；12-进气边侧上冒口；13-横浇道、13.1-横浇道一、13.2-横浇道二、13.3-横浇道三；14-长方体凸台、14.1-长方体凸台一、14.2-长方体凸台二、14.3-长方体凸台三；15-排气口；16-浇口杯；17-圆柱形浇道；18-起始段投影位置一；19-起始段投影位置二；20-起始段投影位置三；21-缘板飞角外沿工艺筋、21.1-进气边侧缘板飞角外沿工艺筋、21.2-排气边侧缘板飞角外沿工艺筋。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明，结合附图对本发明进行进一步详细描述。

下面参照图1-3描述根据本发明的实施例提供的一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法。

一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法，包括如下步骤。

1)浇注系统的组合；

2)对蜡模模组进行型壳的制造；

3)将型壳放入三室真空炉完成浇注，优选实例铸件采用浇注温度为1480℃，拉晶速度4mm/min。

如图1至图3所示，以某双联定向叶片优选实例为例，模组一组摆放叶片3片，每片叶片的浇注系统的组合方式均相同，其中，浇注系统的组合具体采取以下方式：

步骤一：确立模组底盘1的大小。由叶片的轮廓尺寸及摆放叶片数量选取合适的三室真空炉。为避免模组突出于三室真空炉结晶器导致拉晶过程出现刮碰，模组底盘1的直径应小于三室真空炉结晶器直径5-10mm；为避免生成型壳后底部不平，可采用铝制模组底盘代替熔模铸造通用的蜡制模组底盘，优选的，模组底盘1厚度8mm。如图1，模组一组摆放叶片3片，三室真空炉结晶器直径300mm，采用模组底盘1直径295mm。3片叶片包含叶片一4.1、叶片二4.2、叶片三4.3，每片叶片包含两个叶身，即叶片一4.1包含叶身一4.1.1、叶身二4.1.2，每片叶片的两个叶身进气边在一个方向上，即叶身进气边一4.1.1.1、叶身进气边二4.1.2.1，每片叶片的两个叶身排气边侧也在一个方向上，即叶身排气边一(未画图)、叶身排气边二4.1.2.2。

步骤二：确定叶片的工艺外延。在每片叶片蜡模模具设计时附带内浇口及起始段。如图1所示，以单片叶片一4.1为例，其余两片叶片设置方式均与此相同。内浇口2及起始段3为叶片一4.1的内浇口及起始段，叶片上缘板及6叶片下缘板5为叶片一4.1的叶片上缘板及叶片下缘板，其中，内浇口2是连接叶片上缘板6的浇道，起始段3是连接叶片下缘板5部位的浇道，叶片蜡模模具设计制造时，附带内浇口及起始段工艺外延，可以减少蜡模与浇道间拼焊焊缝的数量，从而降低夹杂几率，并减少人为操作提高铸件一致性。

(1)选取浇注系统的浇筑方向。选取浇注系统的的浇筑方向为〈001〉方向，〈001〉方向即竖直方向，通常是z向，使浇注系统的〈001〉方向处在叶片两叶身主轴夹角的角平分线上，使每片叶片即叶片一4.1、叶片二4.2、叶片三4.3的两叶身晶粒取向与〈001〉方向的夹角均等，配合浇注温度及拉晶速度，保证叶身内外辐射散热均匀，使得两叶身柱状晶粒沿着竖直方向生长，取向偏离度及发散度符合设计要求。

(2)设置起始段位置。结合双联定向空心叶片中叶片下缘板包含叶身进气边、叶身排气边及中间安装边三处凸起部位的几何特点，将每片叶片起始段位置设置在这三个凸起部位，并同时引晶，从而达到对叶身部位引入足够的形核晶粒数量，避免柱状晶从模组底盘1生长到叶身部位产生宽晶问题。

如图2所示，以单片叶片一4.1为例，其余两片叶片设置方式均与此相同。起始段3的设置沿着叶片下缘板5的叶身进气边一4.1.1.1及叶身进气边二4.1.2.1侧外沿、叶身排气边一侧及叶身排气边二4.1.2.2侧外沿及叶片中间安装7边的底部轮廓，进而顺着竖直方向延伸出起始段3，起始段3的竖直方向最小高度为25mm-30mm，使起始段3能通过其侧壁的几何约束淘汰生长偏离于竖直〈001〉方向的晶粒，即实现侧壁阻挡晶粒生长，避免与竖直热流方向取向偏差大的柱晶生长入叶身，同时也可方便蜡件从模具中取出。

(3)设置内浇口位置。以单片叶片一4.1为例，其余两片叶片设置均与此相同。在叶片上缘板6的高点位置及两端设置补缩内浇口2，内浇口2为楔形，设置10-15°上宽下窄的拔模，竖直方向最小高度为15mm，从而避免铸件上缘板的高点产生缩松等冶金缺陷。

步骤三：确定叶片起始段在模组底盘1上的位置。按照起始段底部端面对模组底盘1进行投影，如图1至2所示，3片叶片起始段底面分别形成3组每组3个的平行四边形投影，其中叶片三4.3起始段的投影位置为起始段投影位置一18、起始段投影位置二19、起始段投影位置三20，同时在模组底盘1上端面做标记，在每个投影标记位置上对应粘贴长度方向各长于起始段两个端面5mm，高、宽10mm的长方体凸台，模组底盘1圆心与起始段投影位置三20上的长方体凸台内侧间的距离D1在50mm以上，以保证模组的心部在制壳挂浆及风干过程中有足够的空间，同时平衡模组外侧到三室真空炉中挡板的距离，使叶片在拉晶过程中内外散热均匀。起始段投影位置一18上的长方体凸台最外侧与模组底盘1外沿距离D2在20mm以上，两片叶片最小距离D3在30mm以上。然后将带有工艺外延的叶片通过粘接蜡连接于对应投影的长方体凸台上，完成叶片起始段与模组底盘1的连接。

步骤四：确定模组中直管9的高度。中直管9为直径25mm的圆柱，起到形成通路并支撑顶部浇口杯及整个模组的作用。中直管9高度可视叶片起始段+叶片纵向轮廓高度+叶片上缘板内浇口高度情况而定，并对中直管9在竖直高度上平齐于叶片上缘板内浇口的高度上粘贴封堵陶瓷片10，陶瓷片为直径30mm，厚度5mm的圆柱状，形成顶注的浇注系统。在陶瓷片10上端面再接着拼焊20mm高，直径25mm的圆柱状浇道17，使中直管9有足够的距离来连接各单片叶片的横浇道13及顶部的浇口杯16。

步骤五：连接浇注系统充型路径。以单片叶片一4.1为例，其余两片叶片设置方式均与此相同。在内浇口2上端，沿着叶片上缘板6的边缘组焊两处上冒口，进气边侧上冒口12连接内浇口一2.1、内浇口二2.2、内浇口三2.3上端，排气边侧上冒口11连接内浇口四2.4、内浇口五2.5上端，上冒口为长方体形状，且呈水平角度方向摆放，便于后续连通横浇道13。

步骤六：设置同中直管9及浇口杯16连接的横浇道13。对单片叶片采用各自独立的横浇道，为此每条横浇道外端设置在各自叶片的叶身进气边侧上冒口的中间位置，另一端连接到中直管的陶瓷片10上方形成通路，每条横浇道底部端面中间位置同时与各自叶片的叶身排气边侧上冒口连通。

为控制叶片变形避免叶身与叶片缘板过渡位置开裂，在缘板飞角外沿采用拉筋的方式来控制变形量。缘板飞角外沿工艺筋21的尺寸为宽4mm厚2mm，长度能够连接叶片上下缘板的角部即可。

步骤七：在中直管9上方连接浇口杯16，并在横浇道一13.1、横浇道二13.2、横浇道三13.3中间分别连接一处排气口15，设置为直径8mm的圆柱弯管，另一端连接于浇口杯16外沿，便于金属液充型过程排气。完成浇注系统组合。

本发明的工作原理如下：

针对目前双联定向空心叶片，本发明提供一种浇注系统的设计方法，通过浇注系统的组合、对蜡模模组进行型壳的制造及将型壳放入三室真空炉进行铸件，采用浇注温度为1470-1500℃，拉晶速度4-6mm/min，以上技术方案来实现，其中，模组底盘为铝底盘，底盘厚度8-10mm。叶片蜡模模具设计制造时，附带内浇口及起始段工艺外延。采用叶片起始段底部投影的方法确认起始段在模组底盘的位置。充型路径从浇口杯流入中直管的顶部，中直管出口端连通横浇道，横浇道下设沿着叶片进、排气边平行的两处上冒口，上冒口端底部出口连通于叶片工艺外延设置的内浇口，经过内浇口连通到各片叶片上。进一步的，浇注系统的竖直方向，即叶片起始段的方向，叶片柱状晶的〈001〉生长方向处在两叶身各自主轴夹角的角平分线上。进一步的，中直管设置陶瓷片封堵，使下部中直管不进金属料，浇注系统组合采用顶注的方式。在上、下缘板飞角之间外沿设置工艺拉筋。若干个单片叶片横浇道可以沿着中直管的径向呈旋转对称分布。

Claims (2)

1.一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)浇注系统的组合；

2)对蜡模模组进行型壳的制造；

3)将型壳放入三室真空炉完成浇注，铸件采用浇注温度为1480℃，拉晶速度为 4mm/min；

其中，浇注系统的组合具体采取以下方式：

步骤一：确立模组底盘(1)的直径；由叶片的轮廓尺寸及摆放叶片数量选取三室真空炉；模组底盘(1)的直径应小于三室真空炉结晶器直径5-10mm；采用铝制模组底盘代替熔模铸造通用的蜡制模组底盘；

步骤二：确定叶片的工艺外延；在每片叶片蜡模模具设计时附带内浇口及起始段；

步骤三：确定起始段在模组底盘上的位置；按照起始段底部端面对模组底盘(1)进行投影，单片叶片起始段底面形成3个平行四边形投影，同时在模组底盘(1)上端面做起始段投影位置标记，在每个投影标记位置上对应粘贴长度方向各长于起始段两个端面5mm，高、宽10mm的长方体凸台，模组底盘(1)圆心与起始段投影位置三(20)上的长方体凸台内侧间的距离D1在50mm以上，起始段投影位置一(18)上的长方体凸台最外侧与模组底盘(1)外沿距离D2在20mm以上，两片叶片最小距离D3在30mm以上；然后将带有工艺外延的叶片通过粘接蜡连接于对应投影的长方体凸台上，完成起始段与模组底盘(1)的连接；

步骤四：确定模组中直管(9)的高度；中直管(9)为直径25mm的圆柱；中直管(9)高度视叶片起始段+叶片纵向轮廓高度+叶片上缘板内浇口高度而定，并对中直管(9)在竖直高度上平齐于叶片上缘板内浇口的高度上粘贴封堵陶瓷片(10)，陶瓷片(10)为直径30mm，厚度5mm的圆柱状，形成顶注的浇注系统；在陶瓷片(10)上端面再接着拼焊20mm高，直径25mm的圆柱状浇道(17)，使中直管(9)有足够的距离来连接各片叶片的横浇道(13)及顶部的浇口杯(16)；

步骤五：连接浇注系统充型路径；在内浇口上端，沿着叶片上缘板的边缘组焊两处上冒口，包括进气边侧上冒口(12)及排气边侧上冒口(11)，进气边侧上冒口(12)连接内浇口一(2.1)、内浇口二(2.2)、内浇口三(2.3)上端，排气边侧上冒口(11)连接内浇口四(2.4)、内浇口五(2.5)上端，上冒口为长方体形状，且呈水平角度方向摆放，便于后续连通横浇道(13)；

步骤六：设置同中直管(9)及浇口杯(16)连接的横浇道(13)；对每片叶片采用各自独立的横浇道，为此每条横浇道外端设置在各自叶片的进气边侧上冒口的中间位置，另一端连接到中直管的陶瓷片(10)上方以形成通路，每条横浇道底部端面中间位置与各自叶片的排气边侧上冒口连通；

为控制叶片变形避免叶身与叶片缘板过渡位置开裂，在缘板飞角外沿采用拉筋的方式来控制变形量；缘板飞角外沿工艺筋(21)的尺寸为宽4mm厚2mm，长度能够连接叶片上缘板及叶片下缘板的角部即可；

步骤七：在中直管(9)上方连接浇口杯(16)，并在横浇道一(13.1)、横浇道二(13.2)、横浇道三(13.3)中间分别连接一处排气口(15)，设置为直径8mm的圆柱弯管，另一端连接于浇口杯(16)外沿，便于金属液充型过程排气，完成浇注系统组合。

2.根据权利要求1所述一种双联定向空心叶片浇注系统的设计方法，其特征在于，所述步骤二中确定叶片的工艺外延，具体包括如下步骤：

(1)选取浇注系统的浇筑方向；选取浇注系统的浇筑方向为〈001〉方向；〈001〉方向即竖直方向，是为z向；

(2)设置起始段位置；结合双联定向空心叶片中叶片下缘板包含叶身进气边、叶身排气边及中间安装边三处凸起部位的几何特点，将起始段位置设置在这三个凸起部位，并同时引晶，从而达到对叶身部位引入足够的形核晶粒数量；

(3)设置内浇口位置；在叶片上缘板的高点位置及两端设置补缩内浇口，内浇口为楔形，设置10-15°上宽下窄的拔模，竖直方向最小高度为15mm，从而避免铸件上缘板的高点产生缩松冶金缺陷。

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