CN113776987A - 一种测试金属液流动性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明技术方案设计出结构上包含多个非等厚叶片整体涡轮叶盘模拟件模具，制备出同时含有多个不同厚度叶片的整体涡轮叶盘模拟件的精密铸造型壳，浇注后通过观察不同厚度叶片的充型完整性和充型面积来评价金属液的流动性，包括评估同一合金在不同浇注工艺条件下的充型能力，为发动机结构设计提供技术支持。与传统的“螺旋法”相比，该发明技术方案更加接近工程实际，可以更加准确地模拟实际生产过程中零部件精密铸造过程的充型完整性，为评价产品的可制造性提供准确的设计依据。
Description
技术领域
本发明是一种测试金属液流动性的方法，属精密铸造技术领域。
背景技术
精密铸造高温合金以其净成形、低成本、高效率等优势在航空发动机和燃气轮机领域大量应用，用以制备高温、高压下工作的涡轮叶片、导向叶片、整体涡轮叶盘、导向导向器、机匣、喷嘴等零部件。随着航空发动机推重比的提升，高温合金精密铸件结构越来越复杂，合金体系也越来越丰富，对合金流动性的评估和铸造充型能力的评价也越来越重要。然而，传统的铸造流动性评价大多是基于铸钢、铸铁、铝合金、镁合金和铜合金等开展的，对于真空感应熔炼的精密铸造高温合金适用性不强，导致高温合金流动性与型壳充型能力评价处于发展滞后状态。对精密铸造高温合金金属液流动性测试的研究尚比较有限，也没有统一的行业规范，对于高温合金的流动性和充型能力缺少数据化的支撑，因而在传统的发动机选材和结构设计以及精密铸造工艺设计中往往基于经验和“试错”方式进行，带来较高的实验成本并延长实验周期。为降低发动机研制成本、缩短设计验证周期，亟待加强在高温合金流动性方面形成量化测试方法并推广应用，为发动机涡轮盘、叶片、机匣等高温合金精铸件设计提供量化数据支撑。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种测试金属液流动性的方法，其目的是通过该方法对高温合金铸造流动性与充型能力给出了切实、有效的定量评价依据，形成高温合金的材料研发、发动机结构设计、精密铸造工艺设计过程中有实际工程指导意义的数据支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明所述的测试金属液流动性的方法首先制备一个熔模，该熔模包括一个柱体1，在该柱体1周围、沿高度竖直方向均匀排布不同厚度的叶片2，如图1所示，然后用该熔模制备浇铸型壳3，如图2所示，型壳3内腔的周边分布着由不同厚度叶片2形成的薄壁腔，将待测金属熔化后浇铸到型壳3中，冷却后观察待测金属在上述薄壁腔内的充型程度以测试或比较待测金属的流动性。
在实施中，所述叶片2为平板形，与两个表面平行的中间面和沿柱体1中轴线的截面重合，以保证金属液平稳、均匀地同时注入各个叶片。
在实施中，叶片2以20°为间隔均匀分布在柱体1的外圆周面上，且每个叶片2与180°旋转对称位置上的叶片的相同，以避免型壳放置不平整或浇注不均匀带来的测试误差；所述叶片2的数量为18个，分为A、B两组。
进一步，所述A、B两组叶片2中的叶片沿柱体1径向的宽度为50mm，沿柱体1轴向的高度为100mm，厚度变化的范围为1mm～5mm。
进一步，所述A、B两组叶片2中的叶片厚度依次为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5.0mm。
在实施中，所述柱体1的直径为100mm，高度为100mm。
在实施中，型壳3的制备过程中，为保证评价结果的可靠性，对使用的材料、涂挂工艺、焙烧工艺等影响金属液流动性的参数进行统一，确保制备出质量一致的型壳。
在实施中，对不同型壳3进行待测金属浇铸时，为保证评价结果的可靠性，对型壳加热温度、型壳保温时间、金属液浇注温度、熔炼浇注速度、熔炼真空度、浇注用坩埚大小、型壳与坩埚的距离、浇注倾斜角等所有影响金属液流动性的参数进行统一，确保熔炼浇注的一致性。最好采用自动浇注的方式进行浇注，以排除操作者浇注手法差异带来的测试误差。
浇注完成后，对型壳进行清理，统计叶片充型完整性情况并计算未充型完整叶片充型面积百分比来评估流动性。充型完整的最薄叶片号计数为流动性的整数部分、完全不充型的叶片计数为“0”、充型不完整的最厚的叶片以充型面积占整个叶片面积的百分比计数为流动性的第一位小数部分，充型不完整的第二厚的叶片以充型面积占整个叶片面积的百分比计数为流动性的第二位小数部分，以此类推，然后进行叠加，对流动性进行评估。(根据实验精度要求，可以进行小数点后的评价：例如充型饱满的最薄的叶片为4#，则整数部分计数为4，5#叶片充型面积占整个叶片的82％则加上0.82、6#叶片充型面积占整个面积的71％则加上0.071、7#叶片叶片充型面积占整个面积的55％则加上0.0055、第8个叶片充型面积占整个面积的45％则加上0.00045……，依次类推。从工程应用出发，通常取整数或小数点后一位即可)
为排除浇注时金属流动不均匀引起的误差，评价时需将对称的两部分分别计算，取两部分的平均值作为测试合金的流动性。所有叶片都不能充型的其流动性为0、所有叶片都能充型完整的其流动性为9，测得的数值越高，表示合金的流动性越强。
本发明所述方法可以用于评价某一合金在特定型壳和熔炼浇注工艺条件下的流动性，也可以用以评价同一合金在不同型壳或熔炼浇注工艺条件下的流动性，为发动机结构设计提供依据，也可以在高温合金精密铸件结构设计完成后根据流动性评价结果指导精密铸造型壳及熔炼浇注工艺制定。
针对航空发动机的整体涡轮叶盘，本发明技术方案设计出结构上包含多个非等厚叶片整体涡轮叶盘模拟件模具，制备出同时含有多个不同厚度叶片的整体涡轮叶盘模拟件的精密铸造型壳，浇注后通过观察不同厚度叶片的充型完整性和充型面积来评价金属液的流动性，包括评估同一合金在不同浇注工艺条件下的充型能力，为发动机结构设计提供技术支持。与传统的“螺旋法”相比，该发明技术方案更加接近工程实际，可以更加准确地模拟实际生产过程中零部件精密铸造过程的充型完整性，为评价产品的可制造性提供准确的设计依据。
附图说明
图1为本发明方法中所述熔模的结构示意图
图2为本发明方法中所述型壳的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1：
为评估K4169高温合金金属液在普通铸造条件下的流动性，根据权利项要求设计了用于评价精密铸造高温合金金属液流动性的模拟件，随后采用标准的交替壳制壳工艺制备陶瓷型壳，型壳厚度为7层半，随后进行熔炼浇注。熔炼浇注时型壳室温入炉，以30℃/min的速度加热到1150℃，然后保温20min；金属液浇注温度选择在液相线以上150℃；下料重量为15Kg，浇注采用M-22坩埚；浇注时间控制在1.5S；浇注真空度为0.2Pa。浇注后进行清壳和计算。经观察计算，A组叶片中，1～8#叶片均充型完整、9#叶片充型面积占整个叶片面积62％则基于A组叶片计算流动性过程如下：充型完整的最薄的叶片号为8#叶片，故整数部分取8；充型不完整的最厚的叶片为9#叶片，其充型面积占整个叶片面积为62％，故计数0.62，流动性A＝8+0.62＝8.62；B组叶片中，1～8#叶片均充型完整、9#叶片充型面积占整个叶片面积68％，则基于B组叶片计算流动性过程如下：充型完整的最薄的叶片号为8#叶片，故整数部分取8；充型不完整的最厚的叶片为9#叶片，其充型面积占整个叶片面积为68％，故计数0.68，流动性B＝8+0.68＝8.68；最终，取A组和B组的平均值可以得到，平均流动性＝(8.62+8.68)/2＝8.65。故K4169合金在该工艺条件下的流动性为8.65。
实施例2：
为评估K4169高温合金金属液在细晶铸造条件下的流动性，根据权利项要求设计了用于评价精密铸造高温合金金属液流动性的模拟件，随后采用标准的交替壳制壳工艺制备陶瓷型壳，型壳厚度为7层半，随后进行熔炼浇注。熔炼浇注时型壳室温入炉，以30℃/min的速度加热到1050℃，然后保温20min；金属液浇注温度选择在液相线以上70℃；下料重量为15Kg，浇注采用M-22坩埚；浇注时间控制在1.5S；浇注真空度为0.2Pa。浇注后进行清壳和计算。经观察计算，A组叶片中，1～6#叶片均充型完整、7#叶片充型面积占整个叶片面积91％、8#叶片充型面积占整个叶片面积75％、9#叶片充型面积占整个叶片面积52％，则基于A组叶片计算流动性过程如下：充型完整的最薄的叶片号为6#叶片，故整数部分取6；充型不完整的最厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为91％，故计数0.91；充型不完整的第二厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为75％，故计数0.075；充型不完整的第三厚的叶片为9#叶片，其充型面积占整个叶片面积为52％，故计数0.0052，流动性A＝6+0.91+0.075+0.0052＝6.99。B组叶片中，1～6#叶片均充型完整、7#叶片充型面积占整个叶片面积93％、8#叶片充型面积占整个叶片面积79％、9#叶片充型面积占整个叶片面积55％，则基于B组叶片计算流动性过程如下：充型完整的最薄的叶片号为6#叶片，故整数部分取6；充型不完整的最厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为89％，故计数0.89；充型不完整的第二厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为66％，故计数0.066；充型不完整的第三厚的叶片为9#叶片，其充型面积占整个叶片面积为39％，故计数0.0039，流动性B＝6+0.89+0.066+0.0039＝6.9599。最终，取A组和B组的平均值可以得到，平均流动性＝(6.99+6.9599)/2＝6.975。故K4169合金在该工艺条件下的流动性为6.975。对比实施例1和2可以可知，相同条件下，浇注温度越高，金属液充型能力越强。
实施例3：
为评估K447A高温合金金属液在细晶铸造条件下的流动性，根据权利项要求设计了用于评价精密铸造高温合金金属液流动性的模拟件，随后采用标准的交替壳制壳工艺制备陶瓷型壳，型壳厚度为7层半，随后进行熔炼浇注。熔炼浇注时型壳室温入炉，以30℃/min的速度加热到1050℃，然后保温20min；金属液浇注温度选择在液相线以上70℃；下料重量为15Kg，浇注采用M-22坩埚；浇注时间控制在1.5S；浇注真空度为0.2Pa。浇注后进行清壳和计算。经观察计算，A组叶片中，1～5#叶片均充型完整、6#叶片充型面积占整个叶片面积86％、7#叶片充型面积占整个叶片面积65％、8#叶片充型面积占整个叶片面积12％、9#叶片完全不充型，则基于A组叶片计算流动性过程如下：充型完整的最薄的叶片号为5#叶片，故整数部分取5；充型不完整的最厚的叶片为6#叶片，其充型面积占整个叶片面积为86％，故计数0.86；充型不完整的第二厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为65％，故计数0.065；充型不完整的第三厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为12％，故计数0.0012，9#叶片完全不充型，故计数为0，流动性A＝5+0.86+0.065+0.0012+0＝5.9262。B组叶片中，1～5#叶片均充型完整、6#叶片充型面积占整个叶片面积65％、7#叶片充型面积占整个叶片面积50％、8#叶片充型面积占整个叶片面积23％、9#叶片完全不充型，则基于B组叶片计算流动性过程如下：充型完整的最薄的叶片号为5#叶片，故整数部分取5；充型不完整的最厚的叶片为6#叶片，其充型面积占整个叶片面积为65％，故计数0.65；充型不完整的第二厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为50％，故计数0.050；充型不完整的第三厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为23％，故计数0.0023，9#叶片完全不充型，故计数为0，流动性B＝5+0.65+0.050+0.0023+0＝5.7023。最终，取A组和B组的平均值可以得到，平均流动性＝(5.9262+5.7023)/2＝5.975。故K4169合金在该工艺条件下的流动性为5.8142。对比实施例3和实施例2可知，相同浇注条件下K4169合金金属液的流动性较K447A优异。
实施例4：
为评估交替型壳用于K447A高温合金细晶铸造时金属液的充型能力，根据权利项要求设计了用于评价精密铸造型壳充型能力的模拟件，随后采用标准的交替壳制壳工艺制备陶瓷型壳，型壳厚度为7层半，随后进行熔炼浇注。熔炼浇注时型壳室温入炉，以30℃/min的速度加热到1050℃，然后保温20min；金属液浇注温度选择在液相线以上70℃；下料重量为15Kg，浇注采用M-22坩埚；浇注时间控制在1.5S；浇注真空度为0.2Pa。浇注后进行清壳和计算。经观察计算，A组叶片中，1～5#叶片均充型完整、6#叶片充型面积占整个叶片面积86％、7#叶片充型面积占整个叶片面积65％、8#叶片充型面积占整个叶片面积12％、9#叶片完全不充型，则基于A组叶片计算型壳充型能力过程如下：充型完整的最薄的叶片号为5#叶片，故整数部分取5；充型不完整的最厚的叶片为6#叶片，其充型面积占整个叶片面积为86％，故计数0.86；充型不完整的第二厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为65％，故计数0.065；充型不完整的第三厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为12％，故计数0.0012，9#叶片完全不充型，故计数为0，充型能力A＝5+0.86+0.065+0.0012+0＝5.9262。B组叶片中，1～5#叶片均充型完整、6#叶片充型面积占整个叶片面积65％、7#叶片充型面积占整个叶片面积50％、8#叶片充型面积占整个叶片面积23％、9#叶片完全不充型，则基于B组叶片计算充型能力过程如下：充型完整的最薄的叶片号为5#叶片，故整数部分取5；充型不完整的最厚的叶片为6#叶片，其充型面积占整个叶片面积为65％，故计数0.65；充型不完整的第二厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为50％，故计数0.050；充型不完整的第三厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为23％，故计数0.0023；9#叶片完全不充型，故计数为0，充型能力B＝5+0.65+0.050+0.0023+0＝5.7023。最终，取A组和B组的平均值可以得到，平均充型能力＝(5.9262+5.7023)/2＝5.975。交替型壳用于K447A高温合金细晶铸造时金属液的充型能力为5.975。
专利实施例5：
为评估纯刚玉型壳用于K447A高温合金细晶铸造时金属液的充型能力，根据权利项要求设计了用于评价精密铸造型壳充型能力的模拟件，随后采用标准的纯刚玉型壳工艺制备陶瓷型壳，型壳厚度为7层半，随后进行熔炼浇注。熔炼浇注时型壳室温入炉，以30℃/min的速度加热到1050℃，然后保温20min；金属液浇注温度选择在液相线以上70℃；下料重量为15Kg，浇注采用M-22坩埚；浇注时间控制在1.5S；浇注真空度为0.2Pa。浇注后进行清壳和计算。经观察计算，A组叶片中，1～4#叶片均充型完整、5#叶片充型面积占整个叶片面积71％、6#叶片充型面积占整个叶片面积52％、7#叶片充型面积占整个叶片面积34％、8#叶片充型面积占整个叶片面积9％、9#叶片完全不充型，则基于A组叶片计算型壳充型能力过程如下：充型完整的最薄的叶片号为4#叶片，故整数部分取4；充型不完整的最厚的叶片为5#叶片，其充型面积占整个叶片面积为71％，故计数0.71；充型不完整的第二厚的叶片为6#叶片，其充型面积占整个叶片面积为52％，故计数0.052；充型不完整的第三厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为34％，故计数0.0034；充型不完整的第四厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为9％，故计数0.0009；9#叶片完全不充型，故计数为0，充型能力A＝4+0.71+0.052+0.0034+0.0009+0＝4.7663。B组叶片中，1～4#叶片均充型完整、5#叶片充型面积占整个叶片面积31％、6#叶片充型面积占整个叶片面积25％、7#叶片充型面积占整个叶片面积14％、8#叶片充型面积占整个叶片面积5％、9#叶片完全不充型，则基于B组叶片计算型壳充型能力过程如下：充型完整的最薄的叶片号为4#叶片，故整数部分取4；充型不完整的最厚的叶片为5#叶片，其充型面积占整个叶片面积为31％，故计数0.31；充型不完整的第二厚的叶片为6#叶片，其充型面积占整个叶片面积为25％，故计数0.025；充型不完整的第三厚的叶片为7#叶片，其充型面积占整个叶片面积为14％，故计数0.0014；充型不完整的第四厚的叶片为8#叶片，其充型面积占整个叶片面积为5％，故计数0.0005；9#叶片完全不充型，故计数为0，充型能力A＝4+0.31+0.025+0.0014+0.0005+0＝4.3369。最终，取A组和B组的平均值可以得到，平均充型能力＝(4.7663+4.3369)/2＝4.5516。纯刚玉型壳用于K447A高温合金细晶铸造时金属液的充型能力为4.5516。对比实施例4和5可以得出结论，交替型壳的透气性比纯刚玉型壳的透气性好。
Claims (8)
1.一种测试金属液流动性的方法，其特征在于：该方法首先制备一个熔模，该熔模包括一个柱体(1)，在该柱体(1)周围、沿高度竖直方向均匀排布不同厚度的叶片(2)，然后用该熔模制备浇铸型壳(3)，型壳(3)内腔的周边分布着由不同厚度叶片(2)形成的薄壁腔，将待测金属熔化后浇铸到型壳(3)中，冷却后观察待测金属在上述薄壁腔内的充型程度以测试或比较待测金属的流动性。
2.根据权利要求1所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：所述叶片(2)为平板形，与两个表面平行的中间面和沿柱体(1)中轴线的截面重合。
3.根据权利要求2所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：叶片(2)以20°为间隔均匀分布在柱体(1)的外圆周面上，且每个叶片(2)与180°旋转对称位置上的叶片的相同，所述叶片(2)的数量为18个，分为A、B两组。
4.根据权利要求1、3所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：所述A、B两组叶片(2)中的叶片沿柱体(1)径向的宽度为50mm，沿柱体(1)轴向的高度为100mm，厚度变化的范围为1mm～5mm。
5.根据权利要求4所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：
所述A、B两组叶片(2)中的叶片厚度依次为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5.0mm。
6.根据权利要求1所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：所述柱体(1)的直径为100mm，高度为100mm。
7.根据权利要求1所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：型壳(3)的制备过程中，对使用的材料、涂挂工艺、焙烧工艺进行统一。
8.根据权利要求1所述的测试金属液流动性的方法，其特征在于：对不同型壳(3)进行待测金属浇铸时，对型壳加热温度、型壳保温时间、金属液浇注温度、熔炼浇注速度、熔炼真空度、浇注用坩埚大小、型壳与坩埚的距离、浇注倾斜角进行统一。
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