CN115283650B - 一种防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法。该方法通过在单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身连接引晶片，降低因进气边局部冷却快而产生的杂晶缺陷。在两个单晶双联整铸涡轮导向叶片的第一叶片叶身、第二叶片叶身的进气边分别连接第一叶片引晶片、第二叶片引晶片，通过控制引晶片连接位置和宽度来改变进气边叶身温度场变化。本发明方法具有操作简单，一致性好的优点，尤其是对叶身宽度较大的单晶双联整铸涡轮导向叶片，可大幅提高铸件的叶身单晶完整性。本发明可以有效降低双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶缺陷，提高单晶双联涡轮导向叶片铸件的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金熔模精密铸造技术领域，具体为一种防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法。
背景技术
为了满足航空发动机不断提高的推力和工作温度的需求，镍基高温合金仍是叶片的首选材料。但高温合金的承温能力不超过1150℃，而涡轮进口的燃气温度可达1500℃以上。而导向叶片是发动机内核心部件之一，为提高叶片使用寿命，导向叶片采用单晶制备工艺制备成单晶导向叶片。研制初期单晶导向叶片制备方法叶身和两侧缘板分体铸造，然后通过机加保证装配精度，最终通过钎焊的方法进行组焊。但是这种制备方法的弊端是叶身与缘板连接处的焊缝为薄弱环节，在经过复杂应力和高温使用后容易开裂。
目前国内研制的单晶导向叶片已经实现叶身和缘板整体铸造，并进入量产阶段。但是单联导向叶片经过加工后最终需组焊成双联导向叶片在进行装配，仍然存在焊缝的薄弱环节。因此，单晶双联整铸涡轮导向叶片成为了未来航空发动机发展趋势。
对于大型发动机的涡轮导向叶片为了提高排气面积将叶身设计较宽，而根据单晶生长特性横截面积越小越有利于晶体的生长。单晶涡轮导向叶片沿进排气边的生长方向为横截面积最小的方向，叶身的横向宽度较大，在进行晶体生长过程叶身中部因散热较快容易产生杂晶缺陷。因此，需要在叶身中部连接引晶改变温度场，从而降低叶身杂晶比例，提高单晶双联导向叶片铸件成品率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，主要适用于宽叶身结构双联体单晶导向叶片的单晶制备，同时也适用于单联单晶导向叶片以及多联单晶导向叶片的单晶制备。
本发明的技术方案是：
一种防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，在两个单晶双联整铸涡轮导向叶片的第一叶片叶身、第二叶片叶身的进气边分别连接第一叶片引晶片、第二叶片引晶片，通过控制引晶片连接位置和宽度来改变进气边叶身温度场变化，引晶片连接位置需避开叶片进气边圆弧区域，具体连接在叶背靠近进气边圆弧位置；引晶片宽度根据叶身宽度来调节，具体宽度应覆盖叶身宽度的1/2～2/3。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，第一叶片叶身、第二叶片叶身的宽度为40mm～50mm时，第一叶片引晶片和第二叶片引晶片的引晶片起始端形状为条状，其尺寸：长度为50mm～100mm、宽度为2mm～4mm、厚度为1mm～2mm，引晶片末端形状为等边三角形，其尺寸：边长为20mm～30mm、厚度为1mm～2mm。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，第一叶片叶身、第二叶片叶身的叶身宽度为80mm～100mm时，第一叶片引晶片和第二叶片引晶片的引晶片起始端形状为条状，其尺寸：长度为100mm～150mm、宽度为4mm～6mm、厚度为1.5mm～2.5mm，引晶片末端形状为等边三角形，其尺寸：边长为40mm～50mm、厚度为1mm～2mm。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，等边三角形结构引晶片末端的边长为单晶双联导向叶片叶身宽度1/2。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，引晶片尺寸通过成型模具压制而成，引晶片压制工艺参数为：压力1.5MPa～3.0MPa、温度60℃～80℃、保压时间15s～30s。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，将成型的引晶片分别连接在单晶双联导向叶片叶背靠近进气边叶身中部，并控制两个引晶片之间的夹角在15°以上。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，必要时，将引晶片弯曲。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，引晶片的具体连接方法为：将粘接蜡加热至熔融状态，第一叶片引晶片和第二叶片引晶片末端粘取粘接蜡连接在第一叶片叶身和第二叶片叶身指定位置，引晶片与叶身的缝隙用有机粘接蜡进行填充。
所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，有机粘接蜡为低温石蜡。
本发明的设计思想是：
宽叶身结构的导向叶片叶身截面突变大，由于宽大位置局部易出现过冷区域优先凝固形核导致杂晶缺陷。基于该原理，本发明通过施加引晶片，减少引晶段与叶身的截面突变，同时在叶身中部增加引晶片，大幅减少叶身位置的截面突变面积比例，从而通过改变温度场减少宽大位置局部过冷形核而导致的杂晶缺陷。
本发明具有如下优点及有益效果：
本发明通过在单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身连接引晶片，降低因进气边局部冷却快而产生的杂晶缺陷。在生产过程中操作简单，一致性好，提高了生产效率和铸件合格率。经过试验验证，这种方法在生产过程中大大减少了单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶现象，采用该方法叶身杂晶比例比未连接引晶片叶身杂晶比例低20％以上。
附图说明
图1为本发明防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法示意图。图中，1-导叶上缘板，2-导叶下缘板，3-第一叶片叶身，4-第二叶片叶身，5-第一叶片引晶片(51第一引晶片起始端，52第一引晶片末端)，6-第二叶片引晶片(61第二引晶片起始端，62第二引晶片末端)。
图2为实施例1中已连接引晶片的叶身杂晶情况形貌图。
图3为实施例1中未连接引晶片的叶身杂晶情况形貌图。
图4为实施例2中已连接引晶片的叶身杂晶情况形貌图。
图5为实施例2中未连接引晶片的叶身杂晶情况形貌图。
具体实施方式
如图1所示，单晶双联整铸涡轮导向叶片的蜡模为导叶上缘板1、导叶下缘板2、第一叶片叶身3、第二叶片叶身4、第一叶片引晶片5、第二叶片引晶片6组成，相对应的第一叶片叶身3、第二叶片叶身4两侧分别设置导叶上缘板1、导叶下缘板2，导叶上缘板1、导叶下缘板2相对平行设置；第一叶片叶身3进气边叶背侧与第一叶片引晶片5相连，第一叶片引晶片5为第一引晶片起始端51和第一引晶片末端52连接而成，第一引晶片末端52的一端与第一叶片叶身3进气边叶背侧中部连接，第一引晶片末端52的另一端与第一引晶片起始端51的一端连接；第二叶片叶身4进气边叶背侧与第二叶片引晶片6相连，第二叶片引晶片6为第二引晶片起始端61和第二引晶片末端62连接而成，第二引晶片末端62的一端与第二叶片叶身4进气边叶背侧中部连接，第二引晶片末端62的另一端与第二引晶片起始端61的一端连接；另外，第一引晶片起始端51的另一端与第二引晶片起始端61的另一端搭接。
在具体实施过程中，本发明防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，在单晶双联整铸涡轮导向叶片进气边叶身连接引晶片，通过控制引晶片连接位置和宽度来改变进气边叶身温度场变化，引晶片连接位置需避开叶片进气边圆弧区域，具体连接在叶背靠近进气边圆弧位置；引晶片宽度根据叶身宽度来调节，具体宽度应覆盖叶身宽度的1/2～2/3，具体如下：
如图1所示，根据单晶双联整铸涡轮导向叶片结构，具体为测量叶身宽度；如：叶身宽度为40mm～50mm，设计第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6的引晶片起始端(第一引晶片起始端51、第二引晶片起始端61)形状为条状，其尺寸：长度为50mm～100mm、宽度为2mm～4mm、厚度为1mm～2mm，引晶片末端(第一引晶片末端52、第二引晶片末端62)形状为等边三角形，其尺寸：边长为20mm～30mm、厚度为1mm～2mm。将第一叶片引晶片5连接在第一叶片叶身3进气边叶背侧中部，将第二叶片引晶片6连接在第二叶片叶身4进气边叶背侧中部，并控制第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6之间的夹角在15°以上(优选为15°～30°)。引晶片的具体连接方法为：将粘接蜡加热至熔融状态，第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6末端粘取一定量的粘接蜡迅速连接在第一叶片叶身3和第二叶片叶身4指定位置，引晶片与叶身的缝隙用低温石蜡(熔点一般低于70℃)进行填充。
如图1所示，根据单晶双联整铸涡轮导向叶片结构，具体为测量叶身宽度；如：叶身宽度为80mm～100mm，设计第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6的引晶片起始端(第一引晶片起始端51、第二引晶片起始端61)形状为条状，其尺寸：长度为100mm～150mm、宽度为4mm～6mm、厚度为1.5mm～2.5mm，引晶片末端(第一引晶片末端52、第二引晶片末端62)形状为等边三角形，其尺寸：边长为40mm～50mm、厚度为1mm～2mm。将第一叶片引晶片5连接在第一叶片叶身3进气边叶背侧中部，将第二叶片引晶片6连接在第二叶片叶身4进气边叶背侧中部，并控制第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6之间的夹角在15°以上(优选为15°～30°)。引晶片的具体连接方法为将粘接蜡加热至熔融状态，第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6末端粘取一定量的粘接蜡迅速连接在第一叶片叶身3和第二叶片叶身4指定位置，引晶片与叶身的缝隙用低温石蜡(熔点一般低于70℃)进行填充。
下面，通过实施例进一步详述本发明。
实施例1
如图1所示，单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身宽度为40mm，具体实施如下：
本实施例中，设计第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6的起始端尺寸长度为80mm，宽度为3mm，厚度为1.5mm，引晶片末端形状为等边三角形，其边长为20mm，厚度为1.5mm。引晶片尺寸通过成型模具压制而成，引晶片压制工艺参数为：压力2.0MPa、温度65℃、保压时间20s。
将第一叶片引晶片5连接在第一叶片叶身3进气边叶背侧中部，将第二叶片引晶片6连接在第二叶片叶身4进气边叶背侧中部，并控制第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6之间的夹角为20°。
引晶片的具体连接方法为：将粘接蜡加热至熔融状态，第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6末端粘取一定量的粘接蜡迅速连接在第一叶片叶身3和第二叶片叶身4指定位置，引晶片与叶身的缝隙用低温石蜡进行填充。
将组合后的蜡模进行制壳并浇注，浇注成型后，单晶双联整铸涡轮导向叶片经腐蚀检验叶身杂晶情况。如图2-图3所示，经检验采用该方法叶身杂晶数量比例比未连接引晶片叶身杂晶数量比例低30％。
实施例2
如图1所示，单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身宽度为80mm，具体实施如下：
本实施例中，设计第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6的起始端尺寸长度为120mm，宽度为5mm，厚度为2mm，引晶片末端形状为等边三角形，其边长为40mm，厚度为1.5mm。引晶片尺寸通过成型模具压制而成，引晶片压制工艺参数为：压力2.5MPa、温度75℃、保压时间25s。
将第一叶片引晶片5连接在第一叶片叶身3进气边叶背侧中部，将第二叶片引晶片6连接在第二叶片叶身4进气边叶背侧中部，并控制第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6之间的夹角为30°。
引晶片的具体连接方法为：将粘接蜡加热至熔融状态，第一叶片引晶片5和第二叶片引晶片6末端粘取一定量的粘接蜡迅速连接在第一叶片叶身3和第二叶片叶身4指定位置，引晶片与叶身的缝隙用低温石蜡进行填充。
将组合后的蜡模进行制壳并浇注，浇注成型后，单晶双联整铸涡轮导向叶片经腐蚀检验叶身杂晶情况。如图4-图5所示，经检验采用该方法叶身杂晶数量比例比未连接引晶片叶身杂晶数量比例低20％。
实施例结果表明，本发明在单晶双联整铸涡轮导向叶片蜡模制备过程中，通过在单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身连接引晶片，降低因进气边局部冷却快而产生的杂晶缺陷。本发明方法具有操作简单，一致性好的优点，尤其是对叶身宽度较大的单晶双联整铸涡轮导向叶片，可大幅提高铸件的叶身单晶完整性。本发明可以有效降低双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶缺陷，提高单晶双联涡轮导向叶片铸件的成品率。
Claims (9)
1.一种防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，在两个单晶双联整铸涡轮导向叶片的第一叶片叶身、第二叶片叶身在叶背靠近进气边圆弧位置分别连接第一叶片引晶片、第二叶片引晶片，通过控制引晶片连接位置和宽度来改变进气边叶身温度场变化，引晶片连接位置需避开叶片进气边圆弧区域；引晶片宽度根据叶身宽度来调节，具体宽度应覆盖叶身宽度的1/2~2/3。
2.按照权利要求1所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，第一叶片叶身、第二叶片叶身的宽度为40mm~50mm时，第一叶片引晶片和第二叶片引晶片的引晶片起始端形状为条状，其尺寸：长度为50mm~100mm、宽度为2mm~4mm、厚度为1mm~2mm，引晶片末端形状为等边三角形，其尺寸：边长为20mm~30mm、厚度为1mm~2mm。
3.按照权利要求1所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，第一叶片叶身、第二叶片叶身的叶身宽度为80mm~100mm时，第一叶片引晶片和第二叶片引晶片的引晶片起始端形状为条状，其尺寸：长度为100mm~150mm、宽度为4mm~6mm、厚度为1.5mm~2.5mm，引晶片末端形状为等边三角形，其尺寸：边长为40mm~50mm、厚度为1mm~2mm。
4.按照权利要求2或3所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，等边三角形结构引晶片末端的边长为单晶双联导向叶片叶身宽度1/2。
5.按照权利要求1、2或3所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，引晶片尺寸通过成型模具压制而成，引晶片压制工艺参数为：压力1.5MPa~3.0MPa、温度60℃~80℃、保压时间15s~30s。
6.按照权利要求1、2或3所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，将成型的引晶片分别连接在单晶双联导向叶片叶背靠近进气边叶身中部，并控制两个引晶片之间的夹角在15°以上。
7.按照权利要求6所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，将引晶片弯曲。
8.按照权利要求1、2或3所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，引晶片的具体连接方法为：将粘接蜡加热至熔融状态，第一叶片引晶片和第二叶片引晶片末端粘取粘接蜡连接在第一叶片叶身和第二叶片叶身指定位置，引晶片与叶身的缝隙用有机粘接蜡进行填充。
9.按照权利要求8所述的防止单晶双联整铸涡轮导向叶片叶身杂晶的方法，其特征在于，有机粘接蜡为低温石蜡。
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- 2022-07-14 CN CN202210834360.6A patent/CN115283650B/zh active Active
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