CN113463187B - 一种轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法 - Google Patents

一种轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种轻量化点阵结构的单晶高温合金铸件的制备方法，具体为：1)、制备点阵结构铸件模型；2)、将模型一端组合上螺旋选晶器蜡模或籽晶蜡模，将模型置于半封闭蜡皮中，半封闭蜡皮与模型间保持一定空间距离，半封闭蜡皮为上端开口下端密闭的结构；3)、利用精密铸造工艺及涂料静置沉积工艺制备点阵结构件中的陶瓷模芯；4)、利用精密铸造涂料制壳工艺制备整体模壳；5)、对模壳进行脱蜡；6)、对脱蜡后的模壳进行高温焙烧，制备模壳；7)、利用定向凝固工艺制备单晶铸件；8)、清理铸件并脱除陶瓷模芯，最后得到点阵复杂结构单晶高温合金铸件。

Description

一种轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法
技术领域
本发明属于高温合金领域，涉及一种轻量化超复杂点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法。
背景技术
高温合金具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性、抗冷热疲劳及较高的高温力学性能，在能源领域、动力领域、航空航天领域及石油化工领域有着广泛的应用。单晶高温合金由于去除了横向晶界的影响，其抗疲劳能力及高温力学性能显著提高，广泛应用于动力系统中先进热端部件的制备。由于单晶高温合金通常为镍基合金，密度较大，通常大于8克/厘米3，这大大限制了其应用范围。
点阵结构作为重要轻量化结构，在航天、航空、车辆、船舶等领域应用日益广泛。这一类结构特点决定了其具有重量轻、抗冲击、热交换、吸能缓冲等综合的性能。传统镁、铝合金零件在高速摩擦产生的高温下极易氧化，陶瓷基复合材料难以在高温下承受较大载荷且加工成本昂贵，而钛合金、钛铝基金属间化合物抗氧化、抗腐蚀及高温力学性能较差。单晶高温合金具有良好的高温力学性能、抗冷热疲劳能力、抗氧化性能、抗疲劳等优良性能，具有良好的应用前景。由于这一类铸件结构通常非常复杂，通常只能采用机加工及焊接工艺制备。因此，如何制备具有点阵结结构单晶高温合金铸件仍然是目前急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻量化超复杂点阵结构的单晶高温合金铸件的制备方法。
本发明技术方案如下：
一种轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)、制备点阵结构铸件模型；
2)、将模型一端组合上螺旋选晶器蜡模或籽晶蜡模，将模型置于半封闭蜡皮中，半封闭蜡皮与模型间保持一定空间距离，半封闭蜡皮为上端开口下端密闭的结构；
3)、利用精密铸造工艺及涂料静置沉积工艺制备点阵结构件中的陶瓷模芯(点阵结构内部型芯)；
4)、利用精密铸造涂料制壳工艺制备整体模壳；
5)、对模壳进行脱蜡；
6)、对脱蜡后的模壳进行高温焙烧，制备模壳；
7)、利用定向凝固工艺制备单晶铸件；
8)、清理铸件并脱除陶瓷模芯，最后得到点阵复杂结构单晶高温合金铸件。
作为优选的技术方案：
步骤1)中，采用3D打印工艺制备点阵结构铸件模型，模型的材质为蜡模、树脂模中的一种。
步骤2)中，定向凝固用螺旋选晶器蜡模的起晶段高度15-30mm，直径10-20mm，螺旋段直径3-8mm，高度20-40mm；若定向凝固采用籽晶，则籽晶蜡模的高度为15-30mm，直径10-20mm。
步骤2)中，半封闭蜡皮与模型间保持的空间距离为10-30mm，半封闭蜡皮厚度为1-2mm，半封闭蜡皮一端为开口结构有利于排除空气。
步骤3)中，所述涂料静置沉积工艺为：将涂料料浆从半封闭蜡皮的开口端注入，涂料沉积层高度为5-10mm，静置1-3h后去掉(可抽出或倒掉)表层液态料浆；重复该过程直至涂满整个模型，然后在空气中进行干燥，相对湿度控制在40-70％，干燥温度23-28℃，时间6-12h；去除半封闭蜡皮，清理模型表面直至露出模型为止，然后进行整体模壳制备。
静置沉积的涂料料浆采用锆英粉、石英玻璃粉与硅溶胶混合制备，锆英粉粉料目数为200-325目，石英玻璃粉粉料目数为400-600目，两者质量比为10％-25％：75％-90％；硅溶胶中SiO2含量为30-35wt％，粉料与硅溶胶之间的粉液比为质量比3.3-3.5：1。
步骤4)中，整体模壳采用精密铸造工艺制备，涂料料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为300-325目，硅溶胶中SiO2含量为30-35wt％，粉液比为质量比3.3-3.5：1；
模壳背层料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为325目，硅溶胶中SiO2含量为30-35wt％，粉液比为质量比3.8-4.5：1；
撒砂材料为氧化铝砂，目数为24-80目，模壳层数为6-9层，模壳干燥相对湿度控制在40-70％，温度控制在23-35℃，各层干燥时间4-8h；最后采用面层料浆进行封严处理并干燥。
步骤5)中，采用蒸汽法对模壳进行脱蜡，脱蜡温度为160-180℃，脱蜡压力为0.6-0.8MPa，时间10-30s。
步骤6)中，模壳烧结温度为850℃-1050℃；保温时间2-6h。
步骤7)中，定向凝固工艺为：保温炉温度1480-1520℃，浇注温度1480-1520℃，抽拉速度1-6mm/min。如采用籽晶法，需在定向凝固前安装籽晶。
步骤8)中，定向凝固单晶件结束后，采用化学法脱除点阵结构件中的模芯，如碱的水溶液，具体为：采用KOH、NaOH或两者的混合物(质量比1:1)的水溶液，碱液的质量浓度为30-40％，压力6-8个大气压，温度160-180℃，时间8-16h，脱芯结束后采用水对铸件进行清洗。
本发明所述方法适用于多种单晶高温合金，尤其适用于DD413、DD6、DD33、PWA1483、CMSX-4或CMSX-6。
本发明所述方法能够解决目前无法用定向凝固方法制备具有点阵结结构单晶高温合金铸件的问题，尤其适用于制备尺寸较小的铸件(点阵结构铸件高度100-400mm，宽度10-80mm；其中，桁架结构杆直径1-5mm，杆长度5-50mm)。
附图说明
图1点阵结构铸件模型。
图2铸件模型置于半封闭蜡皮中的示意图。
图3陶瓷模壳照片。
图4点阵结构单晶铸件。
具体实施方式
实施例1
轻量化点阵结构单晶高温合金DD413铸件的制备方法：
1)、采用增材制造3D打印方式制备点阵结构铸件模型(结构如图1所示)，模型的材质为普通模型蜡。
2)、定向凝固采用籽晶法，籽晶蜡模的高度为30mm，直径10mm；将模型一端组合上籽晶蜡模，模型置于半封闭蜡皮中(如图2所示)，半封闭蜡皮与模型间保持空间距离为10mm，半封闭蜡皮厚度为1mm。
3)、采用涂料静置沉积工艺制备点阵结构内部型芯，将涂料料浆从半封闭蜡皮的开口端注入，涂料沉积层高度为5mm，静置1h后抽出表层液态料浆；重复该过程直至涂满整个模型，然后在空气中进行干燥，相对湿度控制在50％，干燥温度23℃，时间6h；去除半封闭蜡皮，清理模型表面直至露出模型为止，然后进行整体模壳制备；静置沉积涂料料浆采用锆英粉、石英玻璃粉与硅溶胶混合制备，锆英粉粉料目数为200目，石英玻璃粉400目，两者质量比为10％：90％，硅溶胶中SiO2含量为35wt％，粉料与硅溶胶之间的粉液比为质量比3.3：1。
4)、采用精密铸造工艺制备整体模壳，涂料料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，粉料目数为300目，硅溶胶中SiO2含量为35wt％，粉液比为质量比3.3：1。模壳背层料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为325目，硅溶胶中SiO2含量为35wt％，粉液比为质量比4：1。撒砂材料为氧化铝砂，目数为24-80目，模壳层数为8层，相对湿度控制在40％，温度控制在23℃，每层干燥时间4h，最后用面层料浆进行封严处理。
5)、模壳脱蜡温度为180℃，脱蜡压力为0.6MPa，时间10s。
6)、模壳烧结温度为850℃；保温时间6h，制备的模壳见图3。
7)、定向凝固工艺为：保温炉温度1520℃，浇注温度1520℃，抽拉速度6mm/min。
8)、定向凝固单晶件结束后，采用碱的水溶液脱除点阵结构件中的模芯，具体：采用KOH的水溶液，碱液的质量浓度为40％，压力6个大气压，温度180℃，时间8h，脱芯结束后采用水对铸件进行清洗，获得的单晶结构铸件见图4。
实施例2
轻量化点阵结构单晶高温合金DD33铸件的制备方法：
1)、采用增材制造3D打印方式制备点阵结构铸件模型，模型的材质为树脂。
2)、螺旋选晶器蜡模的起晶段高度30mm，直径10mm，螺旋段直径6mm，高度20mm；模型置于半封闭蜡皮中，半封闭蜡皮与模型间保持空间距离为30mm，半封闭蜡皮厚度为1mm。
3)、采用涂料静置沉积工艺制备点阵结构内部型芯，将涂料料浆从半封闭蜡皮的开口端注入，涂料沉积层高度为10mm，静置3h后抽出表层液态料浆；重复该过程直至涂满整个模型，然后在空气中进行干燥，相对湿度控制在60％，干燥温度28℃，时间6h；去除半封闭蜡皮，清理模型表面直至露出模型为止，然后进行整体模壳制备；静置沉积涂料料浆采用锆英粉、石英玻璃粉与硅溶胶混合制备，锆英粉粉料目数为200目，石英玻璃粉600目，两者质量比为25％：75％：硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉料与硅溶胶之间的粉液比为质量比3.5：1。
4)、采用精密铸造工艺制备整体模壳，涂料料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，粉料目数为300目，硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉液比为质量比3.5：1。模壳背层料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为325目，硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉液比为质量比4：1。撒砂材料为氧化铝砂，目数为24-80目，模壳层数为8层，相对湿度控制在40％，温度控制在23℃，每层干燥时间4h，最后用面层料浆进行封严处理。
5)、模壳脱蜡温度为160℃，脱蜡压力为0.6MPa，时间10s。
6)、模壳烧结温度为1050℃；保温时间4h。
7)、定向凝固工艺为：保温炉温度1480℃，浇注温度℃，抽拉速度3mm/min。
8)、定向凝固单晶件结束后，采用碱的水溶液脱除点阵结构件中的模芯，具体：采用NaOH的水溶液，碱液的质量浓度为40％，压力8个大气压，温度180℃，时间16h，脱芯结束后采用水对铸件进行清洗，获得单晶结构铸件。
实施例3
轻量化点阵结构单晶高温合金PWA1483铸件的制备方法：
1)、采用增材制造3D打印方式制备点阵结构铸件模型，模型的材质为树脂。
2)、螺旋选晶器蜡模的起晶段高度30mm，直径20mm，螺旋段直径8mm，高度20mm；模型置于半封闭蜡皮中，半封闭蜡皮与模型间保持空间距离为20mm，半封闭蜡皮厚度为2mm。
3)、采用涂料静置沉积工艺制备点阵结构内部型芯，将涂料料浆从半封闭蜡皮的开口端注入，涂料沉积层高度为5mm，静置1h后抽出表层液态料浆；重复该过程直至涂满整个模型，然后在空气中进行干燥，相对湿度控制在40％，干燥温度28℃，时间6h；去除半封闭蜡皮，清理模型表面直至露出模型为止，然后进行整体模壳制备；静置沉积涂料料浆采用锆英粉、石英玻璃粉与硅溶胶混合制备，锆英粉粉料目数为200目，石英玻璃粉400目，两者质量比为10％：90％，SiO2含量为35wt％，粉料与硅溶胶之间的粉液比为质量比3.5：1。
4)、采用精密铸造工艺制备整体模壳，涂料料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，粉料目数为300目，硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉液比为质量比3.5：1。模壳背层料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为325目，硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉液比为质量比4：1。撒砂材料为氧化铝砂，目数为24-80目，模壳层数为6层，相对湿度控制在40％，温度控制在25℃，每层干燥时间6h，最后用面层料浆进行封严处理。
5)、模壳脱蜡温度为180℃，脱蜡压力为0.6MPa，时间10s。
6)、模壳烧结温度为900℃；保温时间4h。
7)、定向凝固工艺为：保温炉温度1500℃，浇注温度1500℃，抽拉速度3mm/min。
8)、定向凝固单晶件结束后，采用碱的水溶液脱除点阵结构件中的模芯，具体：采用KOH和NaOH两者的混合物(质量比1:1)的水溶液，碱液的质量浓度为35％，压力8个大气压，温度170℃，时间8h，脱芯结束后采用水对铸件进行清洗，获得单晶结构铸件。
实施例4
轻量化点阵结构单晶高温合金CMSX-4铸件的制备方法：
1)、采用增材制造3D打印方式制备点阵结构铸件模型，模型的材质为模型蜡。
2)、定向凝固采用籽晶法，籽晶蜡模的高度为30mm，直径10mm；模型置于半封闭蜡皮中，半封闭蜡皮与模型间保持空间距离为20mm，半封闭蜡皮厚度为2mm。
3)、采用涂料静置沉积工艺制备点阵结构内部型芯，将涂料料浆从半封闭蜡皮的开口端注入，涂料沉积层高度为5mm，静置1h后抽出表层液态料浆；重复该过程直至涂满整个模型，然后在空气中进行干燥，相对湿度控制在50％，干燥温度28℃，时间6h；去除半封闭蜡皮，清理模型表面直至露出模型为止，然后进行整体模壳制备；静置沉积涂料料浆采用锆英粉、石英玻璃粉与硅溶胶混合制备，锆英粉粉料目数为325目，石英玻璃粉400目，两者质量比为20％：80％，SiO2含量为30wt％，粉料与硅溶胶之间的粉液比为质量比3.3：1。
4)、采用精密铸造工艺制备整体模壳，涂料料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，粉料目数为300目，硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉液比为质量比3.5：1。模壳背层料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为325目，硅溶胶中SiO2含量为30wt％，粉液比为质量比4：1。撒砂材料为氧化铝砂，目数为24-80目，模壳层数为9层，相对湿度控制在40％，温度控制在25℃，每层干燥时间6h，最后用面层料浆进行封严处理。
5)、模壳脱蜡温度为180℃，脱蜡压力为0.6MPa，时间10s。
6)、模壳烧结温度为1050℃；保温时间4h。
7)、定向凝固工艺为：保温炉温度1480℃，浇注温度1480℃，抽拉速度1mm/min。
8)、定向凝固单晶件结束后，采用碱的水溶液脱除点阵结构件中的模芯，具体：采用KOH和NaOH混合物(质量比1:1)的水溶液，碱液的质量浓度为40％，压力8个大气压，温度180℃，时间8h，脱芯结束后采用水对铸件进行清洗，获得单晶结构铸件。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，所述点阵结构单晶高温合金铸件的高度为100-400mm，宽度为10-80mm，其中，桁架结构杆直径1-5mm，杆长度5-50mm，其特征在于，具体步骤如下：
1)、采用3D打印工艺制备点阵结构铸件模型，模型的材质为蜡模、树脂模中的一种；
2)、将模型一端组合上螺旋选晶器蜡模或籽晶蜡模，将模型置于半封闭蜡皮中，半封闭蜡皮与模型间保持的空间距离为10-30mm，半封闭蜡皮为上端开口下端密闭的结构；
3)、利用精密铸造工艺及涂料静置沉积工艺制备点阵结构件中的陶瓷模芯；
所述涂料静置沉积工艺为：涂料料浆采用锆英粉、石英玻璃粉与硅溶胶混合制备，锆英粉粉料目数为200-325目，石英玻璃粉粉料目数为400-600目，两者质量比为10％-25％：75％-90％；硅溶胶中SiO2含量为30-35wt％，粉料与硅溶胶之间的粉液比为质量比3.3-3.5：1；将涂料料浆从半封闭蜡皮的开口端注入，涂料沉积层高度为5-10mm，静置1-3h后去掉表层液态料浆；重复该过程直至涂满整个模型，然后在空气中进行干燥，相对湿度控制在40-70％，干燥温度23-28℃，时间6-12h；去除半封闭蜡皮，清理模型表面直至露出模型为止，然后进行整体模壳制备；
4)、利用精密铸造涂料制壳工艺制备整体模壳；
5)、对模壳进行脱蜡；
6)、对脱蜡后的模壳进行高温焙烧，制备模壳；
7)、利用定向凝固工艺制备单晶铸件；
8)、清理铸件并脱除陶瓷模芯，最后得到点阵结构单晶高温合金铸件。
2.按照权利要求1所述轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤2)中，半封闭蜡皮厚度为1-2mm。
3.按照权利要求1所述轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤4)中，整体模壳采用精密铸造工艺制备，涂料料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为300-325目，硅溶胶中SiO2含量为30-35wt％，粉液比为质量比3.3-3.5：1；
模壳背层料浆采用氧化铝粉与硅溶胶混合制备，氧化铝粉目数为325目，硅溶胶中SiO2含量为30-35wt％，粉液比为质量比3.8-4.5：1；
撒砂材料为氧化铝砂，目数为24-80目，模壳层数为6-9层，模壳干燥相对湿度控制在40-70％，温度控制在23-35℃，各层干燥时间4-8h；最后采用面层料浆进行封严处理并干燥。
4.按照权利要求1所述轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤5)中，采用蒸汽法对模壳进行脱蜡，脱蜡温度为160-180℃，脱蜡压力为0.6-0.8MPa，时间10-30s。
5.按照权利要求1所述轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤6)中，模壳烧结温度为850℃-1050℃；保温时间2-6h。
6.按照权利要求1所述轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤7)中，定向凝固工艺为：保温炉温度1480-1520℃，浇注温度1480-1520℃，抽拉速度1-6mm/min。
7.按照权利要求1所述轻量化点阵结构单晶高温合金铸件的制备方法，其特征在于：所述单晶高温合金为DD413、DD6、DD33、PWA1483、CMSX-4或CMSX-6。
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CN107335780A (zh) * 2016-05-03 2017-11-10 成都兴宇精密铸造有限公司 一种精密铸造制壳工艺
CN110788279A (zh) * 2019-11-01 2020-02-14 泰州市金鹰精密铸造有限公司 一种单晶高温合金涡轮叶片陶瓷模壳的制备方法

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