CN114309474A

CN114309474A - 一种中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺

Info

Publication number: CN114309474A
Application number: CN202210244777.7A
Authority: CN
Inventors: 宋扬; 李海军; 王勇; 杜小兵; 张凡; 王远斌
Original assignee: Chengdu Hangyu Superalloy Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Hangyu Superalloy Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明涉及叶片制造，提供了一种中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，包括如下步骤：（1）根据叶片的尺寸设计并制造蜡蜡模模具；（2）使用蜡模连接夹具将步骤（1）中的多件蜡模沿竖直方向连接，组合成蜡模串；（3）将步骤（2）中的蜡模串从蜡模连接夹具中取出，对蜡模串进行浸浆、撒砂以及干燥，并重复多次，形成多层结构，然后经过脱蜡以及焙烧后去除蜡料得到模壳；（4）模壳组成模树后进行浇铸；（5）对步骤（4）得到的叶片后处理。本发明的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，能够在保证叶片性能的前提下，成倍的增加产品的生产效率。

Description

一种中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺

技术领域

本发明涉及叶片制造的技术领域，具体而言，涉及一种中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺。

背景技术

单晶叶片是航空发动机涡轮高温部件，单晶涡轮叶片均采用熔模铸造进行制造，从产品设计到实现包括的主要过程有模具设计及制造、压制蜡模、组合模组、制壳、脱蜡烧结、浇铸、热处理及检验等工序。目前典型的单晶涡轮叶片组树方案均为选晶器+单层方案，即一个选晶器制造一个叶片，此外，公开号为CN201721538866.3的专利公开了用于单晶叶片的浇注系统及单晶叶片成型用蜡树结构，其中的方案为一个选晶器对应2个平行组树的叶片，虽然在一定程度上提高了生产效率，但是仍然具有很大的上升空间。

因模组浇铸的最终产品只有叶片，现有单件方案的缺点是出品率低，1个选晶器对应2个平行叶片的方法虽减少了合金用量，目前单晶炉设备空间普遍径向不大，数量无法增加太多，且会对产品的金相组织及产品质量产生不利影响。多层方案未见提及，可能原因是多层受限于模壳的强度问题、产品上层叶片的晶向及晶粒完整性问题。需要解决模壳强度、上层叶片的晶粒方向和杂晶的问题。

发明内容

本发明提供一种蜡模及蜡模连接夹具，通过蜡模连接夹具能够将蜡模沿竖直方向连接，在浇筑时能够保证各叶片的晶向。

本发明的还提供了基于上述蜡模及蜡模连接夹具的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其能够在保证叶片性能的前提下，成倍的增加产品的生产效率。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：本发明的蜡模，所述蜡模其中一端开设有卡槽，所述卡槽用以卡接另一所述蜡模。

本发明的蜡模连接夹具，包括底座，竖直设于所述底座上的支撑板，多件开设于所述支撑板的插孔，以及多件夹板；多件所述插孔沿所述支撑板的长度方向运动，一所述夹板插设于一所述插孔中；所述夹板用以夹取上述要求中的所述蜡模。

本发明的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，包括如下步骤：

（1）根据叶片的尺寸设计并制造上述要求中的蜡模，其中所述蜡模设有插槽，一所述蜡模插设于另一所述蜡模的所述插槽中；

（2）使用上述要求中的蜡模连接夹具将步骤（1）中的多件所述蜡模沿竖直方向连接，组合成蜡模串（如附图1-3所示），其中所述蜡模连接夹具包括底座，竖直设于所述底座上的支撑板，多件开设于所述支撑板的插孔，以及多件夹板；多件所述插孔沿所述支撑板的长度方向运动，一所述夹板插设于一所述插孔中；所述夹板用以夹取所述蜡模；

（3）将步骤（2）中的蜡模串从蜡模连接夹具中取出，对蜡模串交替进行浸浆、撒砂以及干燥，并重复多次，形成多层结构，然后经过脱蜡以及焙烧后去除蜡料得到模壳；浸浆过程中所使用的浆料由硅溶胶以及耐火粉组成，所述浆料包括依次使用的面层浆料和背层浆料。所述面层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为3.0~4.5:1，耐火粉为320目的白刚玉粉，所述面层浆料中的所述结合胶中的SiO₂含量为25~35%。所述背层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为3.0~4.5:1，耐火粉为320目的刚玉粉，所述背层浆料中的所述结合胶中的SiO₂含量为25~35%。前1-3层使用面层浆料，4-9层使用背层浆料。1-3层的撒砂材料为80-120目的白刚玉砂，4-5层的撒砂材料为40-70目的白刚玉砂，6-8层的撒砂材料为10-30目的白刚玉砂。

（4）将多个步骤（3）中的模壳并联组合成模树（如附图4所示），将其加热至合金熔化温度以上，将熔化的合金倒入模壳内，并抽拉安装模壳的水冷盘，完成叶片的成型；合金温度为1500~1600℃，模壳温度为1500~1600℃，抽拉速率为1~5mm/min。

（5）对步骤（4）得到的叶片进行后处理，其中后处理工序包括清壳切割，将叶片与浇道切开，再将叶片单件切割下来；然后进行热处理；最终对叶片进行表面处理以及检验。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，在蜡模上开设插槽便于将蜡模串起来，组装成模树后一次性浇铸能够显著地提高单次浇铸得到的叶片数量，提高生产效率。并且上下层叶片通过蜡模连接夹具使其连接采用首尾连接，保证了一定的垂直度，保持叶片方向的一致性，能够有效控制叶片的晶粒生长方向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的蜡模连接夹具的结构示意图；

图2为本发明提供的蜡模串的结构示意图；

图3为本发明提供的蜡模的结构示意图；

图4为本发明提供的模树的结构示意图。

图标：10-蜡模，11-插槽，20-底座，21-支撑板，22-插孔，23-夹板，30-模壳串。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如附图1-附图3所示，本实施例中的蜡模10设有插槽11，一蜡模10插设于另一蜡模10的插槽11中。蜡模10连接夹具包括底座20，竖直设于底座20上的支撑板21，多件开设于支撑板21的插孔22，以及多件夹板23；多件插孔22沿支撑板21的长度方向运动，一夹板23插设于一插孔22中；夹板23用以夹取蜡模10。具体的，在将蜡模10连接成蜡模10串时，将蜡模10依次卡在蜡模10连接夹具的夹板23上，然后上下移动夹板23，使得上层的蜡模10插入到下层的蜡模10的插槽11中，然后通过蜡将两者固定在一起，重复该操作直到组成蜡模10串。这样通过蜡模10连接夹具来组装蜡模10，能够很好地保证最终蜡模10串的垂直度，保证晶向。

需要注意的是，实施例2-4中所使用的蜡模以及蜡模连接夹具为本实施例1中所陈述的。

实施例2

本实施例的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，包括如下步骤：

（1）根据叶片的尺寸设计并制造蜡模；

（2）使用蜡模连接夹具将步骤（1）中的4个蜡模沿竖直方向连接，组合成蜡模串；

（3）将步骤（2）中的蜡模串从蜡模连接夹具中取出，对蜡模串进行浸浆、撒砂以及干燥，并重复多次，形成多层结构，然后经过脱蜡以及焙烧后去除蜡料得到模壳；浆料包括依次使用的面层浆料和背层浆料；浆料由硅溶胶以及耐火粉组成；

面层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为3:1，耐火粉为320目的白刚玉粉，面层浆料中的结合胶中的SiO₂含量为26%；

背层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为3:1，耐火粉为320目的刚玉粉，背层浆料中的结合胶中的SiO₂含量为25%。

前1-3层使用面层浆料，4-9层使用背层浆料。1-3层的撒砂材料为80-120目的白刚玉砂，4-5层的撒砂材料为40-70目的白刚玉砂，6-8层的撒砂材料为10-30目的白刚玉砂。

（4）将多个步骤（3）中的模壳并联设置成蜡树后同时浇铸，将模壳加热至合金熔化温度以上，将熔化的合金倒入模壳内，并抽拉安装模壳的水冷盘，完成叶片的成型；合金温度为1500℃，模壳温度为1500℃，抽拉速率为1mm/min。

（5）对步骤（4）得到的叶片进行清壳切割；将叶片与浇道切开，再将叶片单件切割下来。将叶片在真空热处理炉内，按照产品技术要求参数完成热处理。对叶片表面的毛刺进行打磨后，完成尺寸、外观、无损检测等，获得合格铸件。

实施例3

本实施例的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺与实施例2的工艺基本相同，不同之处在于步骤（3），本实施例的步骤（3）的工艺如下：

（3）将步骤（2）中的蜡模串从蜡模连接夹具中取出，对蜡模串进行浸浆、撒砂以及干燥，并重复多次，形成多层结构，然后经过脱蜡以及焙烧后去除蜡料得到模壳；浆料包括依次使用的面层浆料和背层浆料；浆料由硅溶胶以及耐火粉组成。面层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为4.5:1，耐火粉为320目的白刚玉粉，面层浆料中的结合胶中的SiO₂含量为30%。背层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为4.5:1，耐火粉为320目的刚玉粉，背层浆料中的结合胶中的SiO₂含量为35%。前1-3层使用面层浆料，4-9层使用背层浆料。1-3层的撒砂材料为80-120目的白刚玉砂，4-5层的撒砂材料为40-70目的白刚玉砂，6-8层的撒砂材料为10-30目的白刚玉砂。

实施例4

（3）将步骤（2）中的蜡模串从蜡模连接夹具中取出，对蜡模串进行浸浆、撒砂以及干燥，并重复多次，形成多层结构，然后经过脱蜡以及焙烧后去除蜡料得到模壳；浆料包括依次使用的面层浆料和背层浆料；浆料由硅溶胶以及耐火粉组成。面层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为4.:1，耐火粉为320目的白刚玉粉，面层浆料中的结合胶中的SiO₂含量为30%。背层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为4:1，耐火粉为320目的刚玉粉，背层浆料中的结合胶中的SiO₂含量为32%。前1-3层使用面层浆料，4-9层使用背层浆料。1-3层的撒砂材料为80-120目的白刚玉砂，4-5层的撒砂材料为40-70目的白刚玉砂，6-8层的撒砂材料为10-30目的白刚玉砂。

试验例

将实施例4所制备得到叶片进行进行晶向测试，其中L1表示最下层的叶片，L4表示最上层的叶片，Ⅰ-Ⅰ表示页身、榫头纵截面，Ⅱ-Ⅱ表示叶身横截面，Ⅲ-Ⅲ表示榫头横截面。

晶向测试数据如下表1所示，从数据可以看出随组树层数增加，上层叶片晶向增加趋势控制在3°以内。

表1 晶向测试结果

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													L1	8.7	6	3	2	9.8	5.7	3.5	6.7	8.3	11.1	3.8	7.5
L2	11.2	8.3	3.3	2.4	11.2	6.5	1.6	5.7	7.4	10.2	3.7	9
													L3	13.2	6.8	4	1.1	11.3	10.8	5	7	9.8	10.3	3.7	10.3
L4	15	9.4	7.5	0.7	12.3	12	4.2	7.1	9.6	11	3.3	12.7

综上，本实施例中通过将多个蜡模连接成串，形成蜡模串，并将蜡模串并联成模树后进行一次性浇铸，这样单次浇铸能够得到几倍于传统的生产工艺所制得的叶片数量，显著提高了生产效率。并且上下层叶片连接采用首尾连接，并保持叶片方向的一致性，有效控制叶片的晶粒生长方向。并且标准的测试如叶片疏松、一次枝晶间距、残余共晶等也表明本实施例是制备出的叶片完全符合标准。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据叶片的尺寸设计并制造蜡模，所述蜡模其中一端开设有卡槽，所述卡槽用以卡接另一所述蜡模；

（2）使用蜡模连接夹具将步骤（1）中的多件所述蜡模沿竖直方向首尾连接，组合成蜡模串；

（3）将步骤（2）中的蜡模串从蜡模连接夹具中取出，对蜡模串交替进行浸浆、撒砂以及干燥，并重复多次，形成多层结构，然后经过脱蜡以及焙烧后去除蜡料得到模壳；

（4）将多个步骤（3）中的模壳并联设置组成模树，并将其加热至合金熔化温度以上，将熔化的合金倒入模壳内，并抽拉安装模壳的水冷盘，完成叶片的成型；

（5）对步骤（4）得到的叶片后处理。

2.根据权利要求1所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（3）中浸浆所使用的浆料由硅溶胶以及耐火粉组成；所述浆料包括先后使用的面层浆料和背层浆料。

3.根据权利要求2所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（3）中所述面层浆料中耐火粉与结合胶的质量比为3.0~4.5:1；耐火粉为320目的白刚玉粉；所述面层浆料中的所述结合胶中的SiO₂含量为25~35%。

4.根据权利要求2所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（3）中所述背层浆料中耐火粉与硅溶胶的质量比为3.0~4.5:1；耐火粉为320目的白刚玉粉；所述背层浆料中的所述硅溶胶中的SiO₂含量为25~35%。

5.根据权利要求2所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（3）中前1-3层使用面层浆料，4-9层使用背层浆料。

6.根据权利要求1所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（3）中1-3层的撒砂材料为80-120目的白刚玉砂，4-5层的撒砂材料为40-70目的白刚玉砂，6-8层的撒砂材料为10-30目的白刚玉砂。

7.根据权利要求1所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（4）中的合金温度为1500~1600℃，模壳温度为1500~1600℃，抽拉速率为1~5mm/min。

8.根据权利要求1所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，步骤（5）中将叶片与浇道切开，清除模壳后，再将叶片单件切割下来。

9.根据权利要求1所述的中小型单晶涡轮叶片的熔模铸造工艺，其特征在于，所述蜡模连接夹具包括底座，竖直设于所述底座上的支撑板，多件开设于所述支撑板的插孔，以及多件夹板；

多件所述插孔沿所述支撑板的长度方向运动，一所述夹板插设于一所述插孔中；所述夹板用以挂接所述蜡模。