CN112475232A - 一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法 - Google Patents

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刘心刚
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Abstract

本发明公开了一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，属于熔模精密铸造技术领域。该方法为：设计带阻流片的蜡模浇注系统，在需要控制流向和承重结构处加入阻流片。采用陶瓷材料制作阻流片。带阻流片蜡模浇注系统的组合，先将准备好的洁净的阻流片与浇注系统中的蜡模元件进行连接，再进行整体蜡模浇注系统的组合。后经制壳、脱蜡、烧结获得最终型壳。使用本发明设计的安装陶瓷阻流片陶瓷型壳用于超大尺寸叶片无余量精密铸造浇注，金属液流向准确，母合金使用量显著降低，大幅降低了精铸件生产成本；同时，由于母合金使用量的大幅降低，陶瓷型壳的胀壳不再产生，产品合格率也得到了大幅提升。该方法结构设计合理，操作简单，工艺稳定性高。

Description

一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法
技术领域
本发明涉及熔模精密铸造技术领域，具体涉及一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，该方法适用于制备燃气轮机用超大尺寸等轴晶叶片用陶瓷型壳，以及其他涉及无余量熔模精密铸造制备大型陶瓷型壳的领域。
背景技术
精密铸造高温合金透平叶片是燃气轮机的主要核心部件。随着先进燃气轮机功率的不断提升，燃机叶片的尺寸及重量也不断跟进增大，如300MW级燃气轮机透平末级叶片的径向高度达到了700mm以上量级，叶片毛坯重量超过20Kg，制备难度极大。
浇注过程中调整金属液流向以控制铸件凝固顺序，以及控制超大尺寸陶瓷型壳抗高温蠕变变形能力均是超大尺寸等轴晶高温合金叶片无余量精密铸造的关键技术难点。
首先，由于超大尺寸精密铸造叶片尺寸极大且结构复杂，叶片在铸造充型过程中，金属液在陶瓷型壳中行程较长，其在重力的作用下沿型壳内腔迅速完成充型过程，金属液流向难以得到优化控制。在此状态下，型壳内部局部极易受金属液冲击而形成热节，铸件凝固顺序难以调整，往往导致超大尺寸精密铸造叶片产生大量冶金缺陷，使叶片毛坯产品报废率居高不下。
其次，超大尺寸等轴晶精密铸造叶片自身重量大，在无余量精密铸造浇注系统设计中，不可避免地要加入冒口、浇道、压头及承重结构等组件以保证获得合格铸件。通常单次浇注用母合金重量很大，往往能达到铸件毛坯重量的160％～300％。这样在浇注及凝固过程中，超大尺寸铸件陶瓷型壳所受金属液压力远远高于小尺寸铸件型壳，其高温蠕变变形风险极高，型壳极易产生胀壳现象，导致铸件型面尺寸严重超差而报废。此外，承重结构只在型壳制备及浇注过程中起加固或支撑作用，其设计用途与铸件冶金质量并不相关，该部分的金属充型属于不必要的母合金损耗。
众所周知，先进燃气轮机用铸造高温合金主要为镍基或钴基合金材料，合金成本极高，如何在保证获得合格精密铸件毛坯的同时，进一步降低单次浇注母合金用量，以降低生产成本，始终是工程技术人员面临的一项重大技术考验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，以满足控制铸造过程中金属液流向，保证型壳在浇注及凝固过程中内腔型面稳定性，以及减少母合金用量以降低生产成本的需求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，该方法包括以下步骤：
(1)设计带阻流片的蜡模浇注系统：在需要控制金属液流向的位置和承重结构之间加入阻流片，阻流片尺寸要大于安装位置蜡型的截面尺寸，阻流片厚度为5～20mm，以保证阻流片在型壳中固定牢固，不会在浇注过程中被金属液冲开或破碎；
(2)阻流片的制作：阻流片采用氧化铝、氧化锆或氧化硅陶瓷材料；
(3)带阻流片的蜡模浇注系统的组合：将准备好的洁净的阻流片与浇注系统中的蜡模进行连接，再进行整体蜡模浇注系统的组合；
(4)带阻流片蜡模的制壳：按照传统熔模精密铸造用陶瓷型壳的制作工艺进行制壳；
(5)带阻流片型壳的脱蜡：将型壳上所有的排蜡口磨开，放入高温脱蜡釜中进行脱蜡；
(6)带阻流片型壳的烧结：将脱蜡后的型壳放入900℃的马弗炉中进行烧结，烧结时间为4～6小时；待型壳冷却后型壳制备完成。
步骤(1)中，阻流片的形状应与安装位置蜡型截面的形状相近。
步骤(2)中，阻流片的制作采用传统熔模精密铸造中陶瓷型芯的制作方法，即专用模具压制烧结；或者，阻流片采用传统熔模精密铸造中陶瓷型壳的制作方法，即蜡模沾涂料挂砂；若阻流片采用陶瓷型壳的制作方法，需按设计尺寸将阻流片从板状型壳上切下，磨去棱角。
步骤(3)中，所述蜡模元件应粘接于阻流片中间位置，保证蜡模元件粘接点周围与阻流片边缘留有3mm～5mm距离。
步骤(3)中，如所述阻流片采用陶瓷型壳制作时，将阻流片与浇注系统中的蜡模进行连接时，阻流片面层一侧应朝向浇注系统中有金属液流动的一侧进行粘接，防止阻流片在浇注过程中掉落型砂，导致铸件夹杂报废。
步骤(3)中，所述整体蜡模浇注系统必须在阻流片阻挡的无金属液流动区域加装排蜡口，以防止型壳在脱蜡过程中发生胀裂，导致型壳报废。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明提供了一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，通过陶瓷阻流片的安置，控制了铸造过程中金属液流向，保证了型壳在浇注及凝固过程中内腔型面稳定性，大幅提高了无余量精密铸件毛坯的生产合格率。同时，减少了母合金用量使生产成本显著降低。
2、采用本发明方法制备的超大尺寸叶片用陶瓷型壳在随后的浇注及金液凝固过程中，金属液流向准确，母合金用量显著减少。同时，由于母合金使用量的大幅降低，陶瓷型壳在使用中的胀壳现象不再产生。
3、本发明方法结构设计合理，操作简单，工艺稳定性高，实用性强，十分适合于工业推广。
附图说明
图1为陶瓷阻流片作用原理示意图。
图2为蜡件浇注系统中陶瓷阻流片安装实物图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
本实施例是对燃气轮机透平超大尺寸叶片熔模精密铸造使用的陶瓷型壳中安装阻流片实例，具体包括如下步骤：
步骤S1：设计带阻流片的蜡模浇注系统：需要在立浇道与承重结构之间加入阻流片，此处蜡型的截面尺寸为30mm×20mm和40mm×30mm，因此设计阻流片大小为40mm×30mm和50mm×40mm，厚度约10mm。
步骤S2：阻流片的制作：阻流片采用传统熔模精密铸造中陶瓷型壳的制作方法，将220mm×160mm×10mm的板状蜡模进行制壳。根据所需阻流片厚度，型壳层数选择10层。第一层为面层，第2、3、4层为过渡层，第5～9层为加固层，第10层为封浆层。待板状型壳脱蜡烧结后，按设计尺寸将阻流片从板状型壳上切下，磨去棱角备用。
步骤S3：带阻流片蜡模浇注系统的组合：将准备好的洁净的阻流片与浇注系统中的蜡模元件进行连接，阻流片面层一侧朝向浇注系统中有金属液流动的一侧，蜡模元件粘接于阻流片中间位置，与阻流片边缘距离控制在3mm～5mm。阻流片连接好后，进行整体蜡模浇注系统的组合，注意在阻流片阻挡的无金属液流动区域加装排蜡口。
步骤S4：带阻流片蜡模的制壳。按照传统熔模精密铸造用陶瓷型壳的制作工艺进行制壳，型壳层数为11层，第一层为面层，第2、3、4层为过渡层，第5～10层为加固层，第11层为封浆层。
步骤S5：带阻流片型壳的脱蜡。将型壳上所有的排蜡口磨开，放入高温脱蜡釜中进行脱蜡。
步骤S6：带阻流片型壳的烧结。将脱蜡后的型壳放入900℃的马弗炉中进行烧结，烧结时间为5小时。待型壳冷却后型壳制备完成。
采用本实施例安装陶瓷阻流片制备的型壳进行叶片浇注，金属液流向准确，母合金用量由未安装陶瓷阻流片型壳使用的55kg降低到当前方案的35kg，母合金使用成本降低了36％，同时，由于母合金使用量的大幅降低，陶瓷型壳在使用中的胀壳不再产生。

Claims (6)

1.一种无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)设计带阻流片的蜡模浇注系统：在需要控制金属液流向的位置和承重结构之间加入阻流片，阻流片尺寸要大于安装位置蜡型的截面尺寸，阻流片厚度为5～20mm，以保证阻流片在型壳中固定牢固，不会在浇注过程中被金属液冲开或破碎；
(2)阻流片的制作：阻流片采用氧化铝、氧化锆或氧化硅陶瓷材料；
(3)带阻流片的蜡模浇注系统的组合：将准备好的洁净的阻流片与浇注系统中的蜡模进行连接，再进行整体蜡模浇注系统的组合；
(4)带阻流片蜡模的制壳：按照传统熔模精密铸造用陶瓷型壳的制作工艺进行制壳；
(5)带阻流片型壳的脱蜡：将型壳上所有的排蜡口磨开，放入高温脱蜡釜中进行脱蜡；
(6)带阻流片型壳的烧结：将脱蜡后的型壳放入900℃的马弗炉中进行烧结，烧结时间为4～6小时；待型壳冷却后型壳制备完成。
2.根据权利要求1所述的无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，其特征在于：步骤(1)中，阻流片的形状应与安装位置蜡型截面的形状相近。
3.根据权利要求1所述的无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，其特征在于：步骤(2)中，阻流片的制作采用传统熔模精密铸造中陶瓷型芯的制作方法，即专用模具压制烧结；或者，阻流片采用传统熔模精密铸造中陶瓷型壳的制作方法，即蜡模沾涂料挂砂；若阻流片采用陶瓷型壳的制作方法，需按设计尺寸将阻流片从板状型壳上切下，磨去棱角。
4.根据权利要求1所述的无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，其特征在于：步骤(3)中，所述蜡模元件应粘接于阻流片中间位置，保证蜡模元件粘接点周围与阻流片边缘留有3mm～5mm距离。
5.根据权利要求3所述的无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，其特征在于：步骤(3)中，如所述阻流片采用陶瓷型壳制作时，将阻流片与浇注系统中的蜡模进行连接时，阻流片面层一侧应朝向浇注系统中有金属液流动的一侧进行粘接，防止阻流片在浇注过程中掉落型砂，导致铸件夹杂报废。
6.根据权利要求1所述的无余量精密铸造用大型陶瓷型壳阻流方法，其特征在于：步骤(3)中，所述整体蜡模浇注系统必须在阻流片阻挡的无金属液流动区域加装排蜡口，以防止型壳在脱蜡过程中发生胀裂，导致型壳报废。
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