CN115815574A - 一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，属于精密铸造技术领域。本发明的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，在浇注结束后立即对型壳自下而上吹冷风，加速高温金属的散热过程，提高其冷却速度，缩短金属与硅基陶瓷型芯在1500℃以上的停留时间，进而抑制金属与硅基陶瓷型芯的界面反应。与快速冷却方法相结合，本发明可同时减少金属与陶瓷型壳在高温下的界面反应。本发明无需改变陶瓷型芯材料制作方法，保持原来的浇注温度以保证铸件无冷隔、疏松等缺陷，不仅提升铸件内通道的表面质量，还提高了铸件与型壳接触面的表面质量。

Description

一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法

技术领域

本发明属于精密铸造技术领域，尤其是一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法。

背景技术

高温合金是制造先进航空发动机的关键材料，获得纯净、无缺陷的高温合金铸件是航空发动机的重要目标。随着发动机服役条件的日益苛刻，复杂、薄壁、空心高温合金铸件的需求不断增加，很多空心高温合金铸件都依靠陶瓷型芯成形，随后通过化学腐蚀法或辅以喷高压水的方法即可将型芯脱除，从而获得铸件所需的内腔形状。目前应用的主流陶瓷型芯材料主要为氧化硅基和氧化铝基型芯，其中氧化铝基陶瓷型芯需要配备高温、高压设备或强酸强碱溶液，暂时没有高效、环保的氧化铝基陶瓷型芯的脱除方法和脱除设备。氧化硅陶瓷型芯具有热膨胀系数小、耐火性好、较高的室温和高温强度、易脱芯等优点，目前在航空和民用发动机上被广泛使用。近年来，高Cr铸造镍基高温合金广泛应用于制造先进涡扇发动机的扩压器、喷口和燃烧室等部件，而硅基陶瓷型芯的高温化学稳定性差，易与镍基高温合金中某些元素发生反应破坏铸件内腔表面质量，严重降低铸件合格率。

为保证铸件内腔表面质量，一种陶瓷型芯表面惰性涂覆层的制造方法(CN109928780A)提出在硅基陶瓷型芯的表面涂覆惰性层，避免型芯与高温合金直接接触发生热化学反应，解决型芯与合金的反应问题。硅溶胶精密铸造用陶芯及其制造工艺(CN101537473A)的陶瓷型芯采用了精制石英粉，并在焙烧后的陶瓷型芯表面涂上0.1～0.2mm耐高温涂料，使得陶瓷型芯有更高的抗高温金属液的冲蚀和提高金属液的冷却速度。改性氧化硅粉及其制备方法、陶瓷型芯及其制备方法(CN109304424A)提出一种改性氧化硅粉(即为核壳型耐高温氧化物包覆氧化硅粉结构)，通过粒度配比，使得制备的陶瓷型芯具备良好的耐高温性能。以上专利申请均为通过调整硅基陶瓷型芯制作过程，改善其耐高温性能，鲜有通过浇注过程改善提高铸件表面质量的技术方案公开。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，包括以下步骤：

(1)将达到浇注温度的高温合金进行翻转浇注，将金属液浇注到带硅基陶瓷型芯的型壳中；

(2)浇注结束后，将型壳竖直放置在冷风平台上进行冷却，自下而上向型壳匀速吹压缩空气，经过4～5min的冷却，使得浇口杯处金属温度为740～810℃，之后进行自然冷却；

(3)待型壳冷却至室温后，去除型壳，经切割、脱芯后得到铸件。

进一步的，步骤(2)中，所述冷风平台包括冷风平台主体，冷风平台主体的底部设有多个轮子，平台主体的中间设有凸起的气流通道，气流通道上均布有出气口；平台主体的内部设有与气流通道相连通的通道，通道与外部管道相连通，用于进气；平台主体上还设有砂箱和型壳支撑，砂箱围设在气流通道外围用于稳固冷风平台，所述型壳支撑用于固定浇注后的型壳；在浇注时，型壳竖直放置在凸起的气流通道上表面，型壳侧面倚靠型壳支撑。

进一步的，步骤(1)中达到浇注温度的高温合金的获取方式为：

将母合金高温合金加入中频翻转炉中，加入电解锰，以加热功率为90kW～110kW进行升温，待金属完全熔化时，加入脱氧剂结晶硅，继续升温一定时间至金属液达到浇注温度。

进一步的，在达到浇注温度的金属液出炉前，加入脱氧剂结晶硅或硅钙，同时调低加热功率至15kW～25kW进行保温，使金属液静置1min～2min。

进一步的，采用热电偶进行校温。

进一步的，步骤(1)中带硅基陶瓷型芯的型壳的制造方法为：

(101)制造硅基陶瓷型芯；

(102)制造蜡模，修型，制造自由端和组合蜡模，采用顶注浇注系统组合蜡模；蜡模的热节部位内浇口在满足铸件疏松符合标准要求的前提下，体积、体积与表面积比值按最小化原则设计；

(103)制造硅酸乙酯型壳；

(104)将带硅基陶瓷型芯的型壳进行终焙烧。

进一步的，步骤(103)中，面层料浆为硅溶胶-锆英粉，面层砂及背层砂均采用70号刚玉砂，制壳层数为8层加封严层。

进一步的，型壳焙烧条件为：在1075℃，保温≥2h，到达保温时间后，降至1000℃，保温时间≥1h。

进一步的，步骤(1)中，所述高温合金为高温合金K536或钴基高温合金K605。

进一步的，步骤(1)中，浇注温度为1540～1550℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，铸造镍基高温合金与硅基陶瓷型芯在1500℃以上时会发生界面反应，且随着反应时间的增加，反应程度逐渐加剧。本发明浇注结束后立即对型壳自下而上均匀吹压缩空气，加速铸件及浇道的散热过程，提高其冷却速度，缩短金属与硅基陶瓷型芯在1500℃以上的停留时间，进而抑制金属与硅基陶瓷型芯的界面反应。采用顶注浇注系统，铸件距离压缩空气出口更近，保证铸件冷却速度高于浇道系统，使铸件得到浇冒口的足够补缩。本发明无需改变陶瓷型芯材料制作方法，保持原来的浇注温度以保证铸件无冷隔、疏松等缺陷，很大程度上提升铸件内通道的表面质量。该操作方法简单、易实施，便于工程化应用。通过以上措施，有效抑制了型芯及型壳反应，提高了铸件的表面质量。本发明在三型涡流器上批量验证，铸件合格率提升约40％。可推广至易发生型芯反应或型壳反应的高温合金铸件的精密铸造过程中。

进一步的，本发明提出通过加热功率及加热时间精确控制浇注温度，防止温度过高或过低影响冶金质量。

进一步的，在保证内浇口补缩能力的前提下，采取热节部位内浇口体积、体积与表面积比最小化原则。型壳终焙烧温度预先采取1075℃，目的为去除陶瓷型芯内部未挥发气体，防止浇注时在高温金属液的包裹下产生气体，进而在铸件内通道形成气孔等缺陷。而双面层砂型壳面层和背层均采用了刚玉砂，提高了型壳的高温化学稳定性，提高了铸件与型壳接触面的表面质量。

附图说明

图1为实施例的K536合金涡流器与现有技术的K536合金涡流器表面质量对比图，其中，图1(a)、图1(b)为现有技术的铸件；图1(c)为实施例的铸件；

图2为冷风平台俯视图；

图3为冷风平台M-M剖视图。

其中，1-出气口；2-进气管道；3-沙子；4-沙箱；5-型壳支撑；6-气流通道；7-轮子。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种解决铸造高温合金与陶瓷型芯反应的方法，包括以下步骤：

(1)浇注前对带硅基陶瓷型芯的型壳进行焙烧，焙烧温度：1075℃，保温≥2h；降温至1000℃，保温时间≥1h。

(2)给定中频翻转炉一定的加热功率100kW，采用电解锰预脱氧。利用中频翻转炉以100kW的加热功率，采用电解锰预脱氧，加热母合金(镍基或钴基高温合金)；

(3)金属完全熔化时，加脱氧剂结晶硅。继续升温过热，然后降温至浇注温度。

(4)调低加热功率至20kW进行保温，加脱氧剂结晶硅或硅钙，使金属液静置1～2min，以保证高温合金中氧的排除率达到较高水平，进行翻转浇注到带硅基陶瓷型芯的型壳中；

(5)浇注结束后，将型壳立即竖直放在冷风平台中间位置，自下而上向型壳匀速吹压缩空气，提高型壳及其金属液的冷却速率至170～195℃/min，直至浇口杯处金属温度为740～810℃，之后进行自然冷却；

(6)待型壳冷却至室温后，去除型壳，经切割、脱芯后得到铸件。

进一步的，步骤(2)中，由升温开始到达浇注温度的时间为3′10″～3′20″。

进一步的，采用热电偶进行测温。

进一步的，步骤(1)中带硅基陶瓷型芯的型壳的制造方法为：

(101)制造硅基陶瓷型芯；

(102)制造蜡模，修型，制造自由端和组合蜡模；

所述蜡模的热节部位内浇口在满足铸件疏松符合标准要求的前提下，体积、体积与表面积比值按最小化原则设计；组合时采用顶注浇注系统。

(103)制造硅酸乙酯型壳，面层料浆为硅溶胶-锆英粉，面层砂及背层砂均采用70号刚玉砂，制壳层数为8层加封严层。

进一步的，步骤(2)中，所述高温合金为镍基高温合金K536或钴基高温合金K605。

参见图2和图3，图2和图3分别为冷风平台俯视图和剖视图，冷风平台主体的底部设有多个轮子7，平台主体的中间设有凸起的气流通道6，气流通道6上均布有出气口1，平台主体的内部设有与气流通道6相连通的通道，通道与外部管道相连通，用于进气；平台主体上还设有沙箱4和型壳支撑5，沙箱4围设在气流通道6外围，平台主体上还设有型壳支撑5；浇注时，型壳设在凸起的气流通道6外围。

实施例1

本实施例以某航机涡流器为例，采用硅基陶瓷型芯形成内腔，母合金为K536(镍基高温合金)，中频翻转炉浇注，浇注母合金重量为5kg。实现本发明目的技术方案按照以下步骤进行：

(1)采用现有方式制备硅基陶瓷型芯；

(2)制备蜡模，修型，制作自由端，组合蜡模等。组合时采用顶注浇注系统；热节部位内浇口在满足铸件疏松符合标准要求的前提下，体积、体积与表面积比值按最小化原则设计；

(3)制备硅酸乙酯型壳，面层料浆为硅溶胶-锆英粉，面层砂及背层砂采用70号刚玉砂，制壳层数为8层加封严层；

(4)对带硅基陶瓷型芯的型壳进行终焙烧，焙烧温度：1075℃，保温2h；之后降至1000℃，保温时间1.5h；

(5)利用中频翻转炉以90kW的加热功率，采用电解锰预脱氧，加热母合金-镍基高温合金；

(6)待镍基高温合金完全熔化时，加入脱氧剂结晶硅，继续升温过热至浇注温度，加热总时间为3分30秒。加热期间利用热电偶校温，浇注温度为1540℃；

(7)出炉前加脱氧剂结晶硅或硅钙，调低加热功率至20kW进行保温，使金属液静置1.5分钟，以保证K536合金中氧的排除率达到较高水平，之后进行翻转浇注；

(8)浇注结束后，将型壳立即竖直放在冷风平台中间位置，自下而上向型壳匀速吹压缩空气，经过4分钟的快速冷却，直至浇口杯处金属温度为740～810℃，之后进行自然冷却；

(9)浇注后去除型壳，经切割、脱芯后得到铸件，经外观、荧光、X光检测，铸件表面质量好且无疏松、夹渣，合格率得到大幅提升。

参见图1，图1为实施例1的K536合金涡流器与改进前的K536合金涡流器表面质量对比图，图1(a)、图1(b)为改进之前的铸件，可以看出内通道表面分别出现毛刺、麻坑；图1(c)为实施例1的铸件，可以看出内通道表面完好。

实施例2

本实施例以某航机涡流器为例，采用硅基陶瓷型芯形成内腔，母合金为K605(钴基高温合金)，中频翻转炉浇注，浇注母合金重量为6kg。实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

(1)采用现有方式制备硅基陶瓷型芯；

(2)制备蜡模，修型，制作自由端，组合蜡模等。组合时采用顶注浇注系统；热节部位内浇口在满足铸件疏松符合标准要求的前提下，体积、体积与表面积比值按最小化原则设计；

(3)制备硅酸乙酯型壳，面层料浆为硅溶胶-锆英粉，面层砂及背层砂采用70号刚玉砂，制壳层数为8层加封严层；

(4)对带硅基陶瓷型芯的型壳进行终焙烧，焙烧温度：1075℃，保温2h；降温至1000℃，保温时间1h；

(5)利用中频翻转炉进行加热，加热功率为110kW，采用电解锰预脱氧，加入母合金钴基高温合金；

(6)继续升温过热至浇注温度。加热总时间为3′15″；加热期间利用热电偶校温，浇注温度为1545℃；

(7)出炉前加脱氧剂结晶硅或硅钙，调低加热功率至20kW进行保温，使金属液静置2分钟，以保证K605合金中氧的排除率达到较高水平，进行翻转浇注；

(8)浇注结束后，将型壳立即竖直放在冷风平台中间位置，自下而上向型壳匀速吹压缩空气，提高型壳及其金属液的冷却速率，经过4.5分钟的快速冷却，直至浇口杯处金属温度为740～810℃，之后进行自然冷却；

(9)浇注后去除型壳，经切割、脱芯后得到铸件，经外观、荧光、X光检测，铸件表面质量好且无疏松、夹渣，合格率得到大幅提升。

实施例3

本实施例以某燃机涡流器为例，采用硅基陶瓷型芯形成内腔，母合金为K536(镍基高温合金)，中频翻转炉浇注，浇注母合金重量为5.5kg，实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

(1)采用现有方式制备硅基陶瓷型芯；

(2)制备蜡模，修型，制作自由端，组合蜡模等。组合时采用顶注浇注系统；热节部位内浇口在满足铸件疏松符合标准要求的前提下，体积、体积与表面积比值按最小化原则设计。

(3)制备硅酸乙酯型壳，面层料浆为硅溶胶-锆英粉，面层砂及背层砂采用70号刚玉砂，制壳层数为8层加封严层。

(4)对带硅基陶瓷型芯的型壳进行终焙烧，焙烧温度：1075℃，保温2.5h；降温至1000℃，保温时间1h。

(5)给定中频翻转炉一定的加热功率100kW，采用电解锰预脱氧，加母合金镍基高温合金。

(6)金属完全熔化时，加脱氧剂结晶硅。继续升温过热至浇注温度。加热总时间为3′20″。加热期间利用热电偶校温，浇注温度为1550℃。

(7)出炉前加脱氧剂结晶硅或硅钙，调低加热功率至20kW进行保温，使金属液稍静置1分钟，以保证K536合金中氧的排除率达到较高水平，进行翻转浇注。

(8)浇注结束后，将型壳立即竖直放在冷风平台中间位置，自下而上向型壳匀速吹压缩空气，提高型壳及其金属液的冷却速率，经过5分钟的快速冷却，直至浇口杯处金属温度为740～810℃，之后进行自然冷却；

(9)浇注后去除型壳，经切割、脱芯后得到铸件，经外观、荧光、X光检测，铸件表面质量好且无疏松、夹渣，合格率得到大幅提升。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将达到浇注温度的高温合金进行翻转浇注，将金属液浇注到带硅基陶瓷型芯的型壳中；

(2)浇注结束后，将型壳竖直放置在冷风平台上进行冷却，自下而上向型壳匀速吹压缩空气，经过4～5min的冷却，使得浇口杯处金属温度为740～810℃，之后进行自然冷却；

(3)待型壳冷却至室温后，去除型壳，经切割、脱芯后得到铸件。

2.根据权利要求1所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷风平台包括冷风平台主体，冷风平台主体的底部设有多个轮子(7)，平台主体的中间设有凸起的气流通道(6)，气流通道(6)上均布有出气口(1)；平台主体的内部设有与气流通道(6)相连通的通道，通道与外部管道相连通，用于进气；平台主体上还设有砂箱(4)和型壳支撑(5)，砂箱(4)围设在气流通道(6)外围用于稳固冷风平台，所述型壳支撑(5)用于固定浇注后的型壳；在浇注时，型壳竖直放置在凸起的气流通道(6)上表面，型壳侧面倚靠型壳支撑(5)。

3.根据权利要求1所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，步骤(1)中达到浇注温度的高温合金的获取方式为：

将母合金高温合金加入中频翻转炉中，加入电解锰，以加热功率为90kW～110kW进行升温，待金属完全熔化时，加入脱氧剂结晶硅，继续升温一定时间至金属液达到浇注温度。

4.根据权利要求3所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，在达到浇注温度的金属液出炉前，加入脱氧剂结晶硅或硅钙，同时调低加热功率至15kW～25kW进行保温，使金属液静置1min～2min。

5.根据权利要求3所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法其特征在于，采用热电偶进行校温。

6.根据权利要求1所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，步骤(1)中带硅基陶瓷型芯的型壳的制造方法为：

(101)制造硅基陶瓷型芯；

(102)制造蜡模，修型，制造自由端和组合蜡模，采用顶注浇注系统组合蜡模；蜡模的热节部位内浇口在满足铸件疏松符合标准要求的前提下，体积、体积与表面积比值按最小化原则设计；

(103)制造硅酸乙酯型壳；

(104)将带硅基陶瓷型芯的型壳进行终焙烧。

7.根据权利要求6所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，步骤(103)中，面层料浆为硅溶胶-锆英粉，面层砂及背层砂均采用70号刚玉砂，制壳层数为8层加封严层。

8.根据权利要求7所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，型壳焙烧条件为：在1075℃，保温≥2h，到达保温时间后，降至1000℃，保温时间≥1h。

9.根据权利要求1所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温合金为高温合金K536或钴基高温合金K605。

10.根据权利要求1所述的高温合金薄壁空心铸件的浇注方法，其特征在于，步骤(1)中，浇注温度为1540～1550℃。

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