CN116213644A - 一种燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺 - Google Patents

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申健
卢玉章
郑伟
张健
楼琅洪
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Abstract

本发明提供了一种燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：首先制备水冷底盘蜡模与固定框架蜡模，将框架蜡模固定在水冷底盘蜡模上，然后将叶片蜡模固定在固定框架蜡模上，再将螺旋选晶器或籽晶蜡模与叶片蜡模下端相连，组合好浇道后，将整个模组进行精密铸造涂料撒砂制壳，模壳制备完成后进行脱蜡、烧结，最后将模壳的部分固定框架结构切除，得到燃机单晶涡轮叶片模壳。该工艺可防止叶片蜡模在组合及随后的制壳过程中螺旋选晶器或籽晶上方引晶条受力断裂，同时还能够保证单晶叶片定向凝固生长不受影响。

Description

一种燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺
技术领域
本发明属于高温合金铸造领域，特别属于燃机单晶叶片模壳制备领域。
背景技术
高温合金叶片广泛应用于制造舰船及地面工业燃气轮机，随着燃机效率的不断提高，涡轮进口温度不断提高，要求叶片具有更高的承温能力。由于单晶叶片消除了横向晶界而具有良好的抗高温蠕变、抗冷热疲劳、良好的持久能力、抗氧化及热腐蚀等，这使得其应用日益广泛。燃机单晶涡轮叶片尺寸较大且结构复杂，通常采用精密铸造工艺制备模壳，利用螺旋选晶法或籽晶法引晶，即在叶片下方增加螺旋选晶器或籽晶，利用晶粒间的竞争淘汰或对原始籽晶外延生长，制备出完整单晶叶片。
在制备单晶叶片模壳的过程中，特别是在蜡模制备工序，由于螺旋选晶器的螺旋段及籽晶上方的引晶条(通常直径较小)非常脆弱，难以支持大尺寸涡轮叶片的重量，使其在组蜡工序过程中或之后的制壳过程中极易发生弯曲或断裂，使蜡模组合及模壳制备非常困难。若采用氧化铝陶瓷管等支撑蜡模不但会增加工艺的复杂程度，还会导致后期凝固过程中单晶叶片温度场更加不均匀，使单晶叶片的生长变得更加困难。因此，急需发明一种既满足燃机单晶涡轮叶片模壳的制备要求又不影响单晶生长的工艺方法。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种针对大尺寸燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，该工艺可防止叶片蜡模在组合及随后的制壳过程中螺旋选晶器或籽晶上方引晶条受力断裂，同时还能够保证单晶叶片定向凝固生长不受影响。
本发明采取的技术方案如下：
一种燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：首先制备水冷底盘蜡模与固定框架蜡模，将框架蜡模固定在水冷底盘蜡模上，然后将叶片蜡模固定在固定框架蜡模上，再将螺旋选晶器或籽晶蜡模与叶片蜡模下端相连，组合好浇道后，将整个模组进行精密铸造涂料撒砂制壳，模壳制备完成后进行脱蜡、烧结，最后将模壳的部分固定框架结构切除，得到燃机单晶涡轮叶片模壳。
作为优选的技术方案：
所述固定框架蜡模由横向框架支撑杆2、纵向框架支撑杆5、内部支撑杆4和底端支持杆7的蜡模组成；
其中，两个纵向框架支撑杆5分别位于水冷底盘14的两侧，且垂直于水冷底盘14，纵向框架支撑杆5蜡模的高度不低于螺旋选晶器或籽晶+引晶条的高度、三角过渡段高度和叶片蜡模高度的总和；横向框架支撑杆2位于两个纵向框架支撑杆5的顶部，且平行于水冷底盘14；内部支撑杆4一端与纵向框架支撑杆5相连，另一端与叶片蜡模的固定位置选择叶片的加工面或非定位点及非壁厚检测点位置；底端支持杆7一端固定在水冷底盘14上，另一端与叶片叶冠13底端相连，内部支撑杆4和底端支持杆7均设有多组。
所述蜡模均选用中温模蜡，所有蜡件均通过焊接方式固定。
所述固定框架结构中支撑杆(包括横向框架支撑杆2、纵向框架支撑杆5、内部支撑杆4和底端支持杆7)直径不小于16mm且不大于30mm。
所述制壳工序所用涂料选用EC95电熔刚玉粉料与硅溶胶混合物，粉料粒度为300-400目，粉液质量比为3.0-3.5：1，pH值为8-11，砂料选用Al2O3颗粒，砂料粒度为24-80目，干燥时间为8-24h，型壳厚度为8-12mm。
所述脱蜡工序的脱蜡温度为160-170℃，脱蜡压力为6-7atm，脱蜡时间为12-15min。
所述烧结工序的烧结温度为850-950℃，烧结时间为2-4h。
在模壳切除工序中，固定框架结构切除部分不包括底端支持杆7，详见图2。
本发明的优点在于：
(1)本发明可根据涡轮叶片尺寸及结构自行调整装置尺寸及支持点的数量和位置，防止螺旋选晶器或籽晶引晶条在蜡模组合及随后的模壳制备过程中断裂，从而满足叶片的制备需求。
(2)本发明模壳固定框架可在模壳烧结后切除，只保留叶片底端的支撑结构，避免了由于遮挡叶片导致的温度场不均匀，保证单晶叶片正常凝固生长。
附图说明
图1是本发明的切除部分固定框架结构前的模壳结构示意图。
图2是本发明的切除部分固定框架结构后的模壳结构示意图。
附图标记：1-主浇道、2-横向框架支撑杆、3-叶片榫头、4-内部支撑杆、5-纵向框架支撑杆、6-三角过渡段、7-底端支持杆、8-籽晶引晶条、9-籽晶、10-浇口杯、11-叶片缘板、12-叶片叶身、13-叶片叶冠、14-水冷底盘。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
首先制备水冷底盘蜡模与固定框架蜡模，其中，固定框架蜡模高度比螺旋选晶器或籽晶+引晶条、三角过渡段和叶片蜡模的高度总和高10mm，蜡料选用中温模蜡，固定框架支撑杆蜡模直径为16mm。将固定框架蜡模固定在水冷底盘蜡模上，保证纵向框架支撑杆蜡模与水冷底盘蜡模互相垂直，然后将叶片蜡模固定在内部支撑杆蜡模上，内部支撑杆蜡模的固定位置选择叶片的加工面或非定位点、壁厚检测点位置。再将螺旋选晶器或籽晶及引晶条蜡模与叶片蜡模下端相连，组合好浇道后，将整个模组进行精密铸造涂料撒砂制壳工序，涂料选用EC95电熔刚玉粉料与硅溶胶混合物，粉料粒度为300目，粉液质量比为3.0:1，pH值为8，砂料选用Al2O3颗粒，砂料粒度为24目，干燥时间为8h，型壳厚度为8mm。模壳制备完成后进行脱蜡、烧结，脱蜡温度为160℃，脱蜡压力为6atm，脱蜡时间为12min，烧结温度为850℃，烧结时间为2h。最后将模壳部分固定框架结构切除，只保留叶片底端的支撑结构(如图2所示)，从而保证了单晶叶片的正常凝固生长。
实施例2
首先制备水冷底盘蜡模与固定框架蜡模，其中，固定框架蜡模高度比螺旋选晶器或籽晶+引晶条、三角过渡段和叶片蜡模的高度总和高30mm，蜡料选用中温模蜡，框架支撑杆蜡模直径为20mm。将固定框架蜡模固定在水冷底盘蜡模上，保证纵向框架支撑杆蜡模与水冷底盘蜡模互相垂直，然后将叶片蜡模固定在内部支撑杆蜡模上，内部支撑杆蜡模的固定位置选择叶片的加工面或非定位点、壁厚检测点位置。再将螺旋选晶器或籽晶及引晶条蜡模与叶片蜡模下端相连，组合好浇道后，将整个模组进行精密铸造涂料撒砂制壳工序，涂料选用EC95电熔刚玉粉料与硅溶胶混合物，粉料粒度为400目，粉液质量比为3.5:1，pH值为11，砂料选用Al2O3颗粒，砂料粒度为80目，干燥时间为24h，型壳厚度为12mm。模壳制备完成后进行脱蜡、烧结，脱蜡温度为170℃，脱蜡压力为7atm，脱蜡时间为15min，烧结温度为950℃，烧结时间为4h。最后将模壳部分固定框架结构切除，只保留叶片底端的支撑结构，从而保证了单晶叶片的正常凝固生长。
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 (8)

1.一种燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：首先制备水冷底盘蜡模与固定框架蜡模，将框架蜡模固定在水冷底盘蜡模上，然后将叶片蜡模固定在固定框架蜡模上，再将螺旋选晶器或籽晶蜡模与叶片蜡模下端相连，组合好浇道后，将整个模组进行精密铸造涂料撒砂制壳，模壳制备完成后进行脱蜡、烧结，最后将模壳的部分固定框架结构切除，得到燃机单晶涡轮叶片模壳。
2.按照权利要求1所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：所述固定框架蜡模由横向框架支撑杆(2)、纵向框架支撑杆(5)、内部支撑杆(4)和底端支持杆(7)的蜡模组成；
其中，两个纵向框架支撑杆(5)分别位于水冷底盘(14)的两侧，且垂直于水冷底盘(14)，纵向框架支撑杆(5)蜡模的高度不低于螺旋选晶器或籽晶+引晶条的高度、三角过渡段高度和叶片蜡模高度的总和；横向框架支撑杆(2)位于两个纵向框架支撑杆(5)的顶部，且平行于水冷底盘(14)；内部支撑杆(4)一端与纵向框架支撑杆(5)相连，另一端与叶片蜡模的固定位置选择叶片的加工面或非定位点及非壁厚检测点位置；底端支持杆(7)一端固定在水冷底盘(14)上，另一端与叶片叶冠(13)底端相连，内部支撑杆(4)和底端支持杆(7)均设有多组。
3.按照权利要求2所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：固定框架结构切除部分不包括底端支持杆(7)。
4.按照权利要求1或2所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：固定框架结构中支撑杆直径不小于16mm且不大于30mm。
5.按照权利要求1或2所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：制壳工序所用涂料选用EC95电熔刚玉粉料与硅溶胶混合物，粉料粒度为300-400目，粉液质量比为3.0-3.5：1，pH值为8-11，砂料选用Al2O3颗粒，砂料粒度为24-80目，干燥时间为8-24h，型壳厚度为8-12mm。
6.按照权利要求1或2所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：脱蜡工序的脱蜡温度为160-170℃，脱蜡压力为6-7atm，脱蜡时间为12-15min。
7.按照权利要求1或2所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：烧结工序的烧结温度为850-950℃，烧结时间为2-4h。
8.按照权利要求1或2所述燃机单晶涡轮叶片模壳的制备工艺，其特征在于：蜡模均选用中温模蜡，所有蜡件均通过焊接方式固定。
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