CN113042713B - 一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构及制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构及制造装置，属于航空涡轮叶片加工技术领域。本大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，包括：连接器；多个引晶杆，多个所述引晶杆的一端均与所述连接器的顶端连接，多个所述引晶杆的另一端成散射状朝向多个方向；至少一个晶粒放大器，所述晶粒放大器与对应所述引晶杆的另一端连接。本发明还提供一种大尺寸或多联单晶导向叶片的制造装置。本引晶结构有效提升大尺寸或多联导向单晶叶片的单晶完整性问题，使得大尺寸或多联导向单晶叶片能大规模使用，提升大尺寸或多联导向单晶叶片合格率，同时增加发动机性能。

Description

一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构及制造装置

技术领域

本发明属于航空涡轮叶片加工技术领域，具体涉及一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构及制造装置。

背景技术

随着航空发动机的发展，对发动机推力和推重比要求越来越高，推重比成为发动机界定代级的重要参数指标。推重比的提高主要靠不断提高发动机的涡轮进口温度来实现，发动机涡轮前温度的提高对涡轮导向叶片的温度要求较高。耐高温的单晶涡轮导向叶片制造比较困难、成本高，尤其是大尺寸或多联单晶以及异型结构的涡轮导向叶片。

目前传统的引晶方法的引晶结构生长单晶困难，导致导向叶片单晶完整性低，成本增加，大大降低了大尺寸或多联单晶涡轮导向叶片的大规模使用。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构及制造装置，有效提升大尺寸或多联导向单晶叶片的单晶完整性问题，使得大尺寸或多联导向单晶叶片能大规模使用，提升大尺寸或多联导向单晶叶片合格率，同时增加发动机性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，包括：

连接器；

多个引晶杆，多个所述引晶杆的一端均与所述连接器的顶端连接，多个所述引晶杆的另一端成散射状朝向多个方向；

至少一个晶粒放大器，所述晶粒放大器与对应所述引晶杆的另一端连接。

本发明的引晶结构的有益效果是：(1)本引晶结构结合定向凝固技术，能有效制备出单晶完整性良好的大尺寸或多联结构的导向叶片，提升大尺寸或多联结构单晶导向叶片的铸造合格率，降低了成本，可推广至其它类似结构的零件上应用；

(2)本引晶结构有效提升大尺寸或多联导向单晶叶片的单晶完整性问题，使得大尺寸或多联导向单晶叶片能大规模使用，提升大尺寸或多联导向单晶叶片合格率，同时增加发动机性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述连接器为圆锥形，所述连接器的顶端的直径为8-10mm，所述连接器的底端的直径为4-7mm，所述连接器的高度为8-12mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于将螺旋选晶器内的单个晶粒顺势往纵向方向引入至引晶杆上。

进一步，多个所述引晶杆为圆柱形，多个所述引晶杆的直径为4-10mm，长度为50-130mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：能够适应不同结构制造的需要，选择对应的尺寸。

进一步，多个所述引晶杆包括第一引晶杆、第二引晶杆、第三引晶杆和第四引晶杆，所述第一引晶杆和所述第二引晶杆的直径为8mm，长度为71mm，所述第三引晶杆的直径为5mm，长度为64mm，所述第四引晶杆的直径为5mm，长度为118mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：适应大尺寸或多联导向单晶叶片，能够降低了大尺寸或多联导向单晶叶片的杂晶报废率。

进一步，所述晶粒放大器包括连接头、过渡头和扁平头，所述连接头的一端与对应所述引晶杆的另一端连接，所述过渡头的一端与所述连接头的另一端连接，所述过渡头的另一端与所述扁平头的一端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：将晶粒从引晶杆上过滤到扁平头，使得晶粒生长更均匀。

进一步，所述扁平头为扁平三角形，所述扁平头与所述连接头连接的一端的角度为30-60°。

采用上述进一步方案的有益效果是：更好的将引晶杆中的晶粒顺利过渡并经过放大生长后，引入单晶叶片的叶身处。

进一步，所述扁平头的厚度为1-5mm，宽度为30-50mm，过渡头的长度为10-20mm。

采用上述进一步方案的有益效果是：可以根据不同单晶叶片的尺寸选择对应的扁平头，使得结晶效果更好。

进一步，所述晶粒放大器包括第一晶粒放大器和第二晶粒放大器，所述第一晶粒放大器的一端与所述第三引晶杆的另一端可拆卸连接，所述第二晶粒放大器的一端与所述第四引晶杆的另一端可拆卸连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：能够更好的适应大尺寸单晶叶片或多联单晶叶片的结晶，效果更好。

本发明还提供一种大尺寸或多联单晶导向叶片的制造装置，包括上述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构。

进一步，还包括螺旋选晶器、冷水铜盘和架体，所述冷水铜盘水平设置，并与架体的底端连接，所述螺旋选晶器的底端与所述冷水铜盘的上表面连接，所述连接器的底端与所述螺旋选晶器的顶端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用本制造装置制造的大尺寸或多联单晶导向叶片具有较好的耐高温效果，同时提升单晶叶片的合格率，降低单晶叶片的生产成本，增加了发动机性能。

附图说明

图1为本发明引晶结构的结构示意图；

图2为本发明制造装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、连接器，2、第一引晶杆，3、第二引晶杆，4、第三引晶杆，5、第一晶粒放大器，6、第四引晶杆，7、第二晶粒放大器，8、螺旋选晶器，9、冷水铜盘，10、架体，11、引晶结构，12、单晶叶片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，包括：连接器1、多个引晶杆和至少一个晶粒放大器。

多个引晶杆的一端均与连接器1的顶端连接，多个引晶杆的另一端成散射状朝向多个方向。晶粒放大器与对应引晶杆的另一端连接。

其中，连接器1用于与螺旋选晶器或籽晶8连接，用于晶粒生长引导到多个引晶杆上。其中，多个引晶杆分散设置，能够对应不同涡轮导向叶片的叶身位置，使得晶粒生长结晶非常均匀，不会受到涡轮导向叶片尺寸过多的影响，引晶杆的作用为将晶粒引入晶粒放大器或者叶片零件主体。其中晶粒放大器用于针对需要大面积结晶的位置。其中，连接器1可为圆筒结构，方便直接套设在螺旋选晶器8上，使用非常方便。

本实施例的技术方案的效果是，本引晶结构结合定向凝固技术，能有效制备出单晶完整性良好的大尺寸或多联结构的导向叶片，提升大尺寸或多联结构单晶导向叶片的铸造合格率，降低了成本，可推广至其它类似结构的零件上应用。本引晶结构有效提升大尺寸或多联导向单晶叶片12的单晶完整性问题，使得大尺寸或多联导向单晶叶片12能大规模使用，提升大尺寸或多联导向单晶叶片12合格率，同时增加发动机性能。

优选地，本实施例中，多个引晶杆为圆柱形，多个所述引晶杆的直径为4-10mm，长度为50-130mm。能够更好的引导晶粒生长。同时多个引晶杆能够适应不同结构制造的需要，选择对应的尺寸。

优选地，本实施例中，多个引晶杆包括第一引晶杆2、第二引晶杆3、第三引晶杆4和第四引晶杆6，第一引晶杆2和第二引晶杆3的直径为8mm，长度为71mm，第三引晶杆4的直径为5mm，长度为64mm，第四引晶杆6的直径为5mm，长度为118mm。从而适应大尺寸或多联导向单晶叶片12，能够降低了大尺寸或多联导向单晶叶片12的杂晶报废率，提升了单晶完整性一次通过率。当然其他类似结构叶片可以根据实际需要来调节多个引晶杆的尺寸。

优选地，本实施例中，晶粒放大器包括连接头、过渡头和扁平头，连接头的一端与对应引晶杆的另一端连接，过渡头的一端与连接头的另一端连接，过渡头的另一端与扁平头的一端连接。

其中，连接头用于与引晶杆连接，连接头可为圆筒形，直接插设在引晶杆上，即可固定，使用非常方便。其中，过渡头用于将晶粒从引晶杆上过滤到扁平头，使得晶粒生长更均匀。其中，扁平头用于针对单晶叶片12的叶身部位较薄位置的晶粒生长结晶，以满足叶片结构的需求。其中，连接头的另一端与过渡头的一端一体成型，过渡头的另一端与扁平头的一端一体成型。

优选地，本实施例中，扁平头为扁平三角形，扁平头与连接头连接的一端的角度为30-60°。从而更好的将引晶杆中的晶粒顺利过渡并经过放大生长后，引入单晶叶片12的叶身处。同时扁平头为扁平三角形更适合叶身处的结晶。

优选地，本实施例中，扁平头的厚度为1-5mm，宽度为30-50mm，过渡头的宽度为10-20mm。从而可以根据不同单晶叶片12的尺寸选择对应的扁平头，使得结晶效果更好。

优选地，本实施例中，晶粒放大器包括第一晶粒放大器5和第二晶粒放大器7，第一晶粒放大器5的一端与第三引晶杆4的另一端可拆卸连接并连通，第二晶粒放大器7的一端与第四引晶杆6的另一端可拆卸连接并连通。通过设置的两个晶粒放大器能够更好的适应大尺寸单晶叶片12或多联单晶叶片12的结晶，效果更好。

优选地，本实施例中，连接器1为圆锥形，连接器1的顶端的直径为8-10mm，连接器1的底端的直径为4-7mm，连接器1的高度为8-12mm。连接器1用于方便与螺旋选晶器8连接，使得螺旋选晶器8内的单个晶粒顺势往纵向方向引入至引晶杆上。其中连接器1可以根据具体的螺旋选晶器8的尺寸，选择对应尺寸的连接器1。

如图2所示，本实施例还提供一种大尺寸或多联单晶导向叶片的制造装置，包括上述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构11。

本大尺寸或多联单晶导向叶片的制造装置，还包括螺旋选晶器8、冷水铜盘9和架体10，冷水铜盘9水平设置，并与架体10的底端连接，螺旋选晶器8的底端与冷水铜盘9的上表面连接，连接器1的底端与螺旋选晶器8的顶端连接。

金属液浇注完成后，由冷水铜盘9开始定向凝固结晶，获得多个纵向生长的晶粒。由螺旋选晶器8选出一个晶粒纵向生长，经连接器1生长到引晶杆上，实现引晶。

需要说明的，本实施例中，各个连接处必须光滑转接，无凸起的尖边、尖角，凹陷的孔洞、缝隙，防止杂晶产生。其中，连接器1、引晶杆和晶粒放大器均为内空，用于金属液充型流动。

以本实施例制造具体实物，连接器1竖直设置，连接器1的下端与螺旋选晶器8的顶端连接，连接处的直径为5mm，引导由螺旋选晶器8选出的晶粒纵向生长至连接器1上。关于连接器1与螺旋选晶器8的连接处的直径不宜过大，直径过大后会导致螺旋选晶器8中的杂晶进入，过小会导致连接处强度不够，易断裂，同时不利于金属液充型流动。

连接器1的上端连接所需要的引晶杆，本实物为4根引晶杆，具体为，与单晶叶片12中的左右缘板尖角位置连接的第一引晶杆2和第二引晶杆3，第一引晶杆2和第二引晶杆3的直径为φ8mm，以及与上下叶身位置连接的第三引晶杆4和第四引晶杆6，第三引晶杆4和第四引晶杆6的直径为φ4mm，将4根引晶杆光滑粘接在一起，接触处圆滑转接，无凸起的尖边、凹坑或孔洞，防止杂晶产生。连接器1中的晶粒顺势分别引入4根引晶杆中。

其中，若第一引晶杆2和第二引晶杆3的直径过小，会导致与叶片连接强度不够，若第一引晶杆2和第二引晶杆3的直径过大易产生杂晶。

其中，第三引晶杆4和第四引晶杆6的直径理论上越小越好，不需要支撑强度，但是当第三引晶杆4和第四引晶杆6的直径小于4mm后不利于金属液充型流动至叶身。

第一引晶杆2和第二引晶杆3与左右缘板连接处以及缘板尖角处，同时用蜡料将引晶杆与缘板尖角处光滑转接，确保无缝隙或尖边，防止杂晶产生，将引晶杆中的晶粒引入零件缘板。且第一引晶杆2和第二引晶杆3之间形成的角度不大于70°，过大不利于晶粒过渡生长。

第三引晶杆4和第四引晶杆6上各连接一个晶粒放大器，分别与上叶片连接和下叶片连接，其中，连接头与第三引晶杆4和第四引晶杆6直径相同，为φ4mm，扁平头的厚度为1mm，过渡段的长度为16mm，目的为与第三引晶杆4和第四引晶杆6光滑转接，将第三引晶杆4和第四引晶杆6上的晶粒过渡引入扁平头上。放大器厚度过薄不利于金属液充型，必须≥1mm，可根据零件结构厚度调整。

第一晶粒放大器5和第二晶粒放大器7将晶粒过渡放大后，引入叶片进气边，进入叶身，第一晶粒放大器5和第二晶粒放大器7与叶身进气边接触位置光滑转接，无尖边或缝隙，防止杂晶产生。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

需要注意的是，本发明中的“包括”意指其除所述成分外，还可以包括其他成分，所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，其特征在于，包括：

连接器(1)；

多个引晶杆，多个所述引晶杆的一端均与所述连接器(1)的顶端连接，多个所述引晶杆的另一端成散射状朝向多个方向；

至少一个晶粒放大器，所述晶粒放大器与对应所述引晶杆的另一端连接；

多个所述引晶杆为圆柱形，多个所述引晶杆的直径为4-10mm，长度为50-130mm；

多个所述引晶杆包括第一引晶杆(2)、第二引晶杆(3)、第三引晶杆(4)和第四引晶杆(6)，所述第一引晶杆(2)和所述第二引晶杆(3)的直径为8mm，长度为71mm，所述第三引晶杆(4)的直径为5mm，长度为64mm，所述第四引晶杆(6)的直径为5mm，长度为118mm。

2.根据权利要求1所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，其特征在于，所述晶粒放大器包括连接头、过渡头和扁平头，所述连接头的一端与对应所述引晶杆的另一端连接，所述过渡头的一端与所述连接头的另一端连接，所述过渡头的另一端与所述扁平头的一端连接。

3.根据权利要求2所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，其特征在于，所述扁平头为扁平三角形，所述扁平头与所述连接头连接的一端的角度为30-60°。

4.根据权利要求3所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，其特征在于，所述扁平头的厚度为1-5mm，宽度为30-50mm，过渡头的长度为10-20mm。

5.根据权利要求4所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，其特征在于，所述晶粒放大器包括第一晶粒放大器(5)和第二晶粒放大器(7)，所述第一晶粒放大器(5)的一端与所述第三引晶杆(4)的另一端可拆卸连接，所述第二晶粒放大器(7)的一端与所述第四引晶杆(6)的另一端可拆卸连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构，其特征在于，所述连接器(1)为圆锥形，所述连接器(1)的顶端的直径为8-10mm，所述连接器(1)的底端的直径为4-7mm，所述连接器(1)的高度为8-12mm。

7.一种大尺寸或多联单晶导向叶片的制造装置，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的引晶结构。

8.根据权利要求7所述的大尺寸或多联单晶导向叶片的制造装置，其特征在于，还包括螺旋选晶器(8)、冷水铜盘(9)和架体(10)，所述冷水铜盘(9)水平设置，并与架体(10)的底端连接，所述螺旋选晶器(8)的底端与所述冷水铜盘(9)的上表面连接，所述连接器(1)的底端与所述螺旋选晶器(8)的顶端连接。

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