CN116571693B - 空心叶片制备装置及空心叶片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空心叶片制备装置及空心叶片制备方法，涉及铸造成型技术领域，通过在浇口杯内放置浮动阻拦器，浇注前用浮动阻拦器封闭成型腔体，浇注时熔体受浮动阻拦器作用，不能直接进入成型腔体，形成一定的熔池后从侧浇道进入成型腔体，液面到达可浮动阻拦器位置后，在熔体浮力作用下浮动阻拦器上浮，顶部熔体可对厚大榫头补缩，避免了大尺寸定向凝固叶片浇注过程中熔体对陶瓷型芯的直接冲刷，同时保证了足够体积的顶部熔体对厚大榫头进行补缩的问题，减少了模组的浇注熔体用量，缓解了现有技术中存在的一模一组浇注系统由于设置了固定封闭的结构，造成浇口杯中这部分的熔体不能参与对叶片的补缩，造成高温合金材料的浪费的技术问题。

Description

空心叶片制备装置及空心叶片制备方法

技术领域

本发明涉及铸造成型技术领域，尤其是涉及一种空心叶片制备装置及空心叶片制备方法。

背景技术

为满足燃气轮机不断提升的涡轮进口温度需求，燃气轮机叶片材料从等轴晶铸造高温合金发展定向凝固柱晶，甚至单晶高温合金，叶片结构也从简单实心发展达到简单空心，直至复杂空心结构，叶片凝固组织、型腔完整性控制难度越来越高。叶片的空心结构需要通过预设陶芯，浇注后熔体包裹住陶芯，后续通过脱芯工序，陶芯材料溶于碱液后，形成复杂空腔。与航发燃气轮机叶片相比，重型燃气轮机叶片长度增加数倍至数十倍，重量增加至数百倍，浇注过程中熔体在重力作用下对型芯的冲击更为严重，容易造成断芯、偏芯，导致叶片报废。

为避免高温金属熔体在重力作用下直接冲击陶芯，在定向凝固、单晶叶片浇注系统中已大量采用底注充型方式。为实现底注充型，国内外目在航发叶片及重型燃机叶片中常用的浇注系统主要由两种：一种是一模多组的形式，叶片沿结晶器周向排列，采用中柱直浇道，底部侧出横浇道的方式，实现底注充型，叶片顶部接补缩冒口，横向与中柱或浇口杯相连，适用于模壳加热器较大的设备，可以一次浇注多组叶片；一种是一模一组，浇口杯与补缩冒口间设置封闭结构，从浇口杯中引出侧直浇道，浇注时熔体进入浇口杯后形成一定的熔池，然后进入侧直浇道，接着从底部设置的横浇道进入叶片充型，适合模壳加热器较小设备，或欲获得更有利于定向凝固晶体生长的温度场条件，一次浇注一组叶片。

但是，一模一组浇注系统由于设置了固定封闭的结构，补缩冒口与浇口杯分离，浇注过程中无法观察到补缩冒口处的液面位置，需要通过浇口杯内的熔池产生的静压力，保证液面能升高到补缩冒口的顶部，造成浇口杯中这部分的熔体不能参与对叶片的补缩，造成高温合金材料的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空心叶片制备装置及空心叶片制备方法，以缓解了现有技术中存在的一模一组浇注系统由于设置了固定封闭的结构，造成浇口杯中这部分的熔体不能参与对叶片的补缩，造成高温合金材料的浪费的技术问题。

第一方面，本发明提供的空心叶片制备装置，包括：成型模壳、陶瓷型芯和浮动阻拦器；

所述成型模壳内形成有成型腔体，所述成型模壳的顶部设置有开口朝上的浇口杯，所述浇口杯的侧壁通过侧浇道与所述成型模壳的底部连通，所述浇口杯内的熔体沿着所述侧浇道进入到所述成型腔体中，以使熔体由下至上进入到所述成型腔体中；

所述陶瓷型芯设置于所述成型腔体内；

所述浇口杯的底端向内延伸有凸台结构，所述浮动阻拦器搭接于所述凸台结构上，所述成型腔体内的熔体能够顶升所述浮动阻拦器。

在可选的实施方式中，

所述陶瓷型芯包括连接端和成型端；

所述连接端与所述成型端的顶部连接，所述连接端与所述成型模壳的侧壁连接，所述连接端用于将所述成型端固定在所述成型腔体内。

在可选的实施方式中，

所述成型模壳位于所述浇口杯的底部形成有榫头成型部；

所述榫头成型部的侧壁设置有连接孔，所述连接端的顶部向外延伸具有连接边，且所述连接边穿出所述连接孔。

在可选的实施方式中，

所述成型模壳位于所述榫头成型部的底部形成有缘板成型部；

所述成型模壳位于所述缘板成型部的底部形成有叶身成型部；

所述成型模壳位于所述叶身成型部的底部形成有引晶段，所述引晶段具有喇叭状的引晶开口，且所述引晶开口的口径朝向所述叶身成型部的方向渐缩。

在可选的实施方式中，

所述侧浇道包括顶横浇道、侧直浇道和底横浇道；

所述顶横浇道的一端与所述浇口杯连通，所述顶横浇道的另一端与所述侧直浇道连通，所述侧直浇道远离所述顶横浇道的一端与所述底横浇道连通，所述底横浇道远离所述侧直浇道的一端与所述引晶段连通；

所述顶横浇道水平设置，所述侧直浇道垂直设置，所述底横浇道水平设置。

在可选的实施方式中，

所述空心叶片制备装置还包括模壳加热构件；

所述模壳加热构件罩设所述成型模壳，所述模壳加热构件用于加热所述成型模壳。

在可选的实施方式中，

所述空心叶片制备装置还包括水冷结晶器；

所述水冷结晶器位于所述引晶段的底部，且所述水冷结晶器封堵所述引晶开口，所述水冷结晶器用于使所述引晶段内的熔体结晶。

第二方面，本发明提供的空心叶片制备装置的空心叶片制备方法，包括以下步骤：

在成型模壳的上方放置漏斗，漏斗对准浇口杯；

在浇口杯内放置浮动阻拦器；

通过模壳加热构件对成型模壳加热；

将成型模壳放置在水冷结晶器上，成型模壳的底部与水冷结晶器紧密贴合，以使水冷结晶器封堵引晶开口；

熔体经漏斗进入浇口杯，熔体被浮动阻拦器阻挡，浇口杯内的熔体沿着侧浇道进入到引晶段中，以使熔体由下至上进入到成型腔体中。

在可选的实施方式中，

还包括以下步骤：

浇注熔体液面上升至榫头成型部与浇口杯连接处的凸台结构时，浮动阻拦器上浮，浇口杯内的熔体对榫头成型部内的熔体进行补缩。

在可选的实施方式中，

还包括熔体制备步骤：

对定向凝固炉熔炼室抽真空，对母合金锭熔化，监控熔体温度1480~1550℃。

本发明提供的空心叶片制备装置，通过在成型模壳的顶部设置浇口杯，浇口杯的侧壁通过侧浇道与成型模壳的底部连通，使浇口杯内的熔体沿着侧浇道流动，由下至上进入到成型腔体中，成型腔体内设置陶瓷型芯，在成型腔体中成型出空心叶片，并且在浇口杯内放置浮动阻拦器，浇注前用浮动阻拦器封闭成型腔体，浇注时熔体受浮动阻拦器作用，不能直接进入成型腔体，形成一定的熔池后从侧浇道进入成型腔体，液面到达可浮动阻拦器位置后，在熔体浮力作用下浮动阻拦器上浮，顶部熔体可对厚大榫头补缩，避免了大尺寸定向凝固叶片浇注过程中熔体对陶瓷型芯的直接冲刷，同时保证了足够体积的顶部熔体对厚大榫头进行补缩的问题，减少了模组的浇注熔体用量，缓解了现有技术中存在的一模一组浇注系统由于设置了固定封闭的结构，造成浇口杯中这部分的熔体不能参与对叶片的补缩，造成高温合金材料的浪费的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的空心叶片制备装置的整体结构剖视图；

图2为本发明实施例提供的空心叶片制备装置的整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的空心叶片制备装置另一视角下的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的空心叶片制备装置内陶瓷型芯的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的空心叶片制备装置浇注前的使用示意图；

图6为本发明实施例提供的空心叶片制备装置浇注后的使用示意图。

图标：100-成型模壳；110-浇口杯；120-榫头成型部；130-缘板成型部；140-叶身成型部；150-引晶段；200-陶瓷型芯；210-连接端；220-成型端；300-浮动阻拦器；400-侧浇道；410-顶横浇道；420-侧直浇道；430-底横浇道；500-模壳加热构件；600-水冷结晶器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。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，都属于本发明保护的范围。

传统的一模一组浇注系统中的阻拦器采用固定式，补缩冒口与浇口杯110之间被固定式阻拦器分离，浇注过程中无法观察到补缩冒口处的液面位置，需要一直浇注熔体，直至在固定式阻拦器的上方的浇口杯110汇总形成熔池，但由于固定式阻拦器将补缩冒口和浇口杯110分离，造成固定式阻拦器的上方的浇口杯110中的熔体不能参与对叶片的补缩，造成高温合金材料的浪费，并且，为了给补缩冒口提供空间，需要将固定式的阻拦器设置在较高位置，并且成型后，固定式阻拦器位于成型后的金属中，需要将固定式阻拦器拆下，影响成型效率和质量。

有鉴于此，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，需要注意的是，图3为图2的侧视视角，本实施例提供的空心叶片制备装置，包括：成型模壳100、陶瓷型芯200和浮动阻拦器300；成型模壳100内形成有成型腔体，成型模壳100的顶部形成有开口朝上的浇口杯110，浇口杯110为圆筒状，熔体通过浇口杯110的开口进入到浇口杯110中，浇口杯110的侧壁通过侧浇道400与成型模壳100的底部连通，浇口杯110内的熔体沿着侧浇道400进入到成型腔体中，熔体由下至上进入到成型腔体中；陶瓷型芯200设置于成型腔体内；浇口杯110的底端向内延伸有凸台结构，浮动阻拦器300搭接于凸台结构上，随着持续浇注，成型腔体内的熔体液面逐渐升高，熔体顶升浮动阻拦器300，使浮动阻拦器300在浇口杯110内上移，熔体在浇口杯110中形成补缩冒口。

在可选的实施方式中，陶瓷型芯200包括连接端210和成型端220；连接端210与成型端220的顶部连接，连接端210与成型模壳100的侧壁连接，连接端210用于将成型端220固定在成型腔体内。

具体而言，成型模壳100位于浇口杯110的底部形成有榫头成型部120；榫头成型部120的侧壁设置有连接孔，连接端210的顶部沿水平方向向外延伸具有连接边，连接边穿出连接孔，即可将连接端210固定在榫头成型部120上，进而使成型端220固定在成型腔体内。

在可选的实施方式中，成型模壳100位于榫头成型部120的底部形成有缘板成型部130，缘板成型部130的内腔用于成型叶片的缘板；成型模壳100位于缘板成型部130的底部形成有叶身成型部140，叶身成型部140的内腔用于成型叶片的叶身；成型模壳100位于叶身成型部140的底部形成有引晶段150，引晶段150的内腔用于成型叶片引晶段150，并且，引晶段150具有喇叭状的引晶开口，且引晶开口的口径朝向叶身成型部140的方向渐缩，使引晶段150中的熔体集中进入到成型腔体中。

需要注意的是，成型模壳100包括由上至下的浇口杯110、榫头成型部120、缘板成型部130、叶身成型部140和引晶段150，各部件的内径尺寸根据叶片决定。

在可选的实施方式中，侧浇道400包括顶横浇道410、侧直浇道420和底横浇道430；顶横浇道410的一端与浇口杯110连通，顶横浇道410的另一端与侧直浇道420连通，侧直浇道420远离顶横浇道410的一端与底横浇道430连通，底横浇道430远离侧直浇道420的一端与引晶段150连通；顶横浇道410水平设置，侧直浇道420垂直设置，底横浇道430水平设置，浇口杯110中的熔体沿着顶横浇道410、侧直浇道420和底横浇道430流动，进入到引晶段150中，实现以底注的方式对叶片成型。

在可选的实施方式中，空心叶片制备装置还包括模壳加热构件500；模壳加热构件500罩扣成型模壳100，模壳加热构件500用于加热成型模壳100。

具体而言，模壳加热构件500包括模壳加热器和加热器盖，模壳加热器位于成型模壳100的周向，加热器盖与模壳加热器的顶部连接，且在加热器盖的中央位置开设通孔，熔体经过通孔进入到浇口杯110中。

在可选的实施方式中，空心叶片制备装置还包括水冷结晶器600；水冷结晶器600位于引晶段150的底部，且水冷结晶器600封堵引晶开口，水冷结晶器600用于使引晶段150内的熔体结晶。

具体而言，成型模壳100的底部放置在水冷结晶器600上，利用水冷结晶器600对引晶开口进行封堵，利用水冷结晶器600对成型模壳100中的熔体进行结晶。

本实施例提供的空心叶片制备装置，通过在成型模壳100的顶部设置浇口杯110，浇口杯110的侧壁通过侧浇道400与成型模壳100的底部连通，使浇口杯110内的熔体沿着侧浇道400流动，由下至上进入到成型腔体中，成型腔体内设置陶瓷型芯200，在成型腔体中成型出空心叶片，并且在浇口杯110内放置浮动阻拦器300，浇注前用浮动阻拦器300封闭成型腔体，浇注时熔体受浮动阻拦器300作用，不能直接进入成型腔体，形成一定的熔池后从侧浇道400进入成型腔体，液面到达可浮动阻拦器300位置后，在熔体浮力作用下浮动阻拦器300上浮，顶部熔体可对厚大榫头补缩，避免了大尺寸定向凝固叶片浇注过程中熔体对陶瓷型芯200的直接冲刷，同时保证了足够体积的顶部熔体对厚大榫头进行补缩的问题，减少了模组的浇注熔体用量，缓解了现有技术中存在的一模一组浇注系统由于设置了固定封闭的结构，造成浇口杯110中这部分的熔体不能参与对叶片的补缩，造成高温合金材料的浪费的技术问题。

在上述实施例的基础上，本实施例提供的空心叶片制备装置的空心叶片制备方法，具体包括以下步骤：

①在成型模壳100上方安置漏斗，漏斗对准加热器盖的中心位置，漏斗底部离模壳加热器上沿距离小于150mm。

②在浇口杯110内放置可浮动阻拦器300，浮动阻拦器300为陶瓷耐火材料材质，形状为圆柱形，直径40~60mm，厚度≥15mm，密度为待浇注金属熔体的1/4~1/3。

③按要求重量准备相应牌号母合金锭，用加料器料爪夹持加入预制的坩埚内，待母合金锭底部接触坩埚底后，加料器料爪与母合金锭分离，母合金锭留滞在坩埚中，升加料器料抓，完全升入加料器后，关加料器真空阀。

④抽真空，定向凝固炉熔炼室真空度低于5Pa，模壳加热器开始升温，至1480~1550℃；熔炼线圈给电，母合金锭熔化后，监控熔体温度1480~1550℃，待浇注。

⑤将预置浮动阻拦器300的成型模壳100，注意模壳底部与水冷结晶器600接触紧密无错位，关模壳室炉门，抽真空，真空度低于5Pa后开模壳室真空阀，升降系统启动，将模壳送至模壳加热器中。

⑥成型模壳100在模壳加热器内，在设定模壳温度保温时间大于30min后，真空度、熔体温度均满足设定条件时，倾翻坩埚进行浇注。

⑦熔体经漏斗进入浇口杯110，初期由于浮动阻拦器300的阻挡，熔体上升，达到浇口杯110与侧浇道400相连的高度时，熔体进入侧浇道400、引晶段150，实现底注充型。

⑧浇注熔体液面上升至榫头与浇口杯110连接处凸台结构位置时，由于熔体浮力作用，浮动阻拦器300上浮，熔体充型方式变为顶注。

⑨浮动阻拦器300上浮一定位置后，浇口杯110内浮动阻拦器300下方的部分熔体作为冒口，对榫头凝固收缩进行补充，避免缩孔产生；

⑩浇注完成后，金属熔体和成型模壳100静置30~60s，以2mm/min~10mm/min的恒定速度或变化速度开始向下抽拉，直至成型模壳100完全拉出模壳加热器，进入模壳室，关闭模壳室翻板阀；成型模壳100在水冷结晶器600中静置10~30分钟后，破空开炉门取出，放于保温桶中的冷却，待完成浇注的成型模壳100完全冷却后清壳，然后采用线切割将叶片和成型模壳100分离。

在≤200℃、4~6atm压力、30~40%浓度的KOH溶液条件下，将叶片中陶芯脱除，脱芯后对清洗叶片表面和型腔附着碱液；对叶片进行晶粒腐蚀，叶片晶粒组织应满足技术标准要求，腐蚀后的叶片应清洗表面和型腔附着的腐蚀液；按材料热处理工艺对叶片进行热处理，保证叶片获得良好的微观组织；对叶片进行荧光渗透检查，检验结果应满足技术标准要求；对叶片进行X射线检查，检验结果应满足技术标准要求；对叶片进行尺寸检查，检测结果应符合设计图纸要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种空心叶片制备装置，其特征在于，包括：成型模壳（100）、陶瓷型芯（200）和浮动阻拦器（300）；

所述成型模壳（100）内形成有成型腔体，所述成型模壳（100）的顶部设置有开口朝上的浇口杯（110），所述浇口杯（110）的侧壁通过侧浇道（400）与所述成型模壳（100）的底部连通，所述浇口杯（110）内的熔体沿着所述侧浇道（400）进入到所述成型腔体中，以使熔体由下至上进入到所述成型腔体中；

所述陶瓷型芯（200）设置于所述成型腔体内；

所述浇口杯（110）的底端向内延伸有凸台结构，所述浮动阻拦器（300）搭接于所述凸台结构上，所述成型腔体内的熔体能够顶升所述浮动阻拦器（300）。

2.根据权利要求1所述的空心叶片制备装置，其特征在于，

所述陶瓷型芯（200）包括连接端（210）和成型端（220）；

所述连接端（210）与所述成型端（220）的顶部连接，所述连接端（210）与所述成型模壳（100）的侧壁连接，所述连接端（210）用于将所述成型端（220）固定在所述成型腔体内。

3.根据权利要求2所述的空心叶片制备装置，其特征在于，

所述成型模壳（100）位于所述浇口杯（110）的底部形成有榫头成型部（120）；

所述榫头成型部（120）的侧壁设置有连接孔，所述连接端（210）的顶部向外延伸具有连接边，且所述连接边穿出所述连接孔。

4.根据权利要求3所述的空心叶片制备装置，其特征在于，

所述成型模壳（100）位于所述榫头成型部（120）的底部形成有缘板成型部（130）；

所述成型模壳（100）位于所述缘板成型部（130）的底部形成有叶身成型部（140）；

所述成型模壳（100）位于所述叶身成型部（140）的底部形成有引晶段（150），所述引晶段（150）具有喇叭状的引晶开口，且所述引晶开口的口径朝向所述叶身成型部（140）的方向渐缩。

5.根据权利要求4所述的空心叶片制备装置，其特征在于，

所述侧浇道（400）包括顶横浇道（410）、侧直浇道（420）和底横浇道（430）；

所述顶横浇道（410）的一端与所述浇口杯（110）连通，所述顶横浇道（410）的另一端与所述侧直浇道（420）连通，所述侧直浇道（420）远离所述顶横浇道（410）的一端与所述底横浇道（430）连通，所述底横浇道（430）远离所述侧直浇道（420）的一端与所述引晶段（150）连通；

所述顶横浇道（410）水平设置，所述侧直浇道（420）垂直设置，所述底横浇道（430）水平设置。

6.根据权利要求1所述的空心叶片制备装置，其特征在于，

所述空心叶片制备装置还包括模壳加热构件（500）；

所述模壳加热构件（500）罩设所述成型模壳（100），所述模壳加热构件（500）用于加热所述成型模壳（100）。

7.根据权利要求4所述的空心叶片制备装置，其特征在于，

所述空心叶片制备装置还包括水冷结晶器（600）；

所述水冷结晶器（600）位于所述引晶段（150）的底部，且所述水冷结晶器（600）封堵所述引晶开口，所述水冷结晶器（600）用于使所述引晶段（150）内的熔体结晶。

8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的空心叶片制备装置的空心叶片制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在成型模壳（100）的上方放置漏斗，漏斗对准浇口杯（110）；

在浇口杯（110）内放置浮动阻拦器（300）；

通过模壳加热构件（500）对成型模壳（100）加热；

将成型模壳（100）放置在水冷结晶器（600）上，成型模壳（100）的底部与水冷结晶器（600）紧密贴合，以使水冷结晶器（600）封堵引晶开口；

熔体经漏斗进入浇口杯（110），熔体被浮动阻拦器（300）阻挡，浇口杯（110）内的熔体沿着侧浇道（400）进入到引晶段（150）中，以使熔体由下至上进入到成型腔体中。

9.根据权利要求8所述的空心叶片制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：

浇注熔体液面上升至榫头成型部（120）与浇口杯（110）连接处的凸台结构时，浮动阻拦器（300）上浮，浇口杯（110）内的熔体对榫头成型部（120）内的熔体进行补缩。

10.根据权利要求9所述的空心叶片制备方法，其特征在于，还包括熔体制备步骤：

对定向凝固炉熔炼室抽真空，对母合金锭熔化，监控熔体温度1480~1550℃。