CN117020157A - 一种震动加压细晶铸造设备及制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种震动加压细晶铸造设备及制造工艺，属于粉末冶金技术领域，包括炉体，所述炉体的底部设置有支脚，炉体下真空室内设置涡轮盘模组升降系统，涡轮盘模组升降系统包括：有用于制作涡轮盘铸件的模壳固定室，模壳固定室的下方设置有加热器和震动器，振动器和液压缸的活塞轴连接。该震动加压细晶铸造设备不但能用化学法和热控法铸造细晶叶片、细晶整体结构件，而且还可用铸型震动加压法生产出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件，该制造工艺可以用铸型震动加压法生产出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件。

Description

一种震动加压细晶铸造设备及制造工艺

技术领域

本发明涉及高温合金涡轮叶片盘细晶铸造领域，尤其涉及一种整体航空涡轮叶片盘细晶制造技术，具体是指一种震动加压细晶铸造设备及工艺。

背景技术

目前，航空部件涡轮盘是现代飞机发动机的核心部件，它在发动机燃烧室内受到高燃气的推动，将燃气的热能转化为机械动能，驱动发动机的运转，所以带叶片的涡轮盘要求质量必须满足严苛的工作环境，从而导致目前涡轮盘在加工阶段就要制定严苛的工艺。

国外近二十年来集中力量发展了高温合金定向铸造和单晶铸造技术，主要是为了提高航空发动机高压涡轮叶片的高温工作能力，从而增大发动机的推力，并延长其工作寿命。与此同时，航空发动机的恶劣工况对在中低温条件下工作的低压涡轮叶片、整体叶盘和涡轮机匣等高温合金铸件的低周疲劳寿命提出了更高要求。但是这类铸件在普通熔模精铸工艺生产条件下，一般为粗大的树枝晶或柱状晶，晶粒平均尺寸大于4mm，较典型的为4~9mm。由于晶粒粗大及组织、性能上的各向异性，很容易导致铸件在使用过程中疲劳裂纹的产生和发展，这对于铸件的疲劳性能尤其是低周疲劳性能极为不利，并且造成铸件力学性能数据过于分散，降低了设计容限。随着对发动机的整体寿命和性能要求的进一步提高，改善铸件的中低温疲劳性能及其他力学性能显得十分重要。这便导致了细晶铸造技术的产生和发展。

工业发达国家，尤其是美国和德国，早在20世纪70年代末就开展了高温合金细晶铸造技术的研究和应用，在20世纪80年代中后期该项技术发展趋于成熟，目前正在航空、航天工业领域中扩大其应用范围，如美国Howmet公司利用细晶铸造技术成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高温合金整体涡轮，使涡轮的低周疲劳寿命提高了2~3倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。国内对高温合金细晶铸造技术的研究从20世纪80年代末开始起步，经过研究和应用，我国航空制造业建立了专门的细晶铸造设备，对高温合金细晶铸造工艺进行了较系统的试验，研制了一批镍基高温合金细晶铸件，并已应用于航空发动机中，在细晶铸造研究领域内取得了重要的进展。

细晶铸造的特点和工艺方法，1.1 细晶铸造的特点，细晶铸造技术或工艺（FGCP）的原理是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中使合金形成大量结晶核心，并阻止晶粒长大，从而获得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件，较典型的细晶铸件晶粒度为美国标准ASTM0~2级。细晶铸造在使铸件晶粒细化的同时，还使高温合金中的初生碳化物和强化相γ＇尺寸减小，形态改善。因此，细晶铸造的突出优点是大幅度地提高铸件在中低温（≤760℃）条件下的低周疲劳寿命，并显著减小铸件力学性能数据的分散度，从而提高铸造零件的设计容限。同时该技术还在一定程度上改善铸件抗拉性能和持久性能，并使铸件具有良好的热处理性能。

细晶铸造技术还可改善高温合金铸件的机加工性能，减小螺孔和刀刃形锐利边缘等处产生加工裂纹的潜在危险。因此该技术可使熔模铸件的应用范围扩大到原先使用锻件、厚板机加工零件和锻铸组合件等领域。在航空发动机零件的精铸生产中，使用细晶铸件代替某些锻件或用细晶铸造的锭料来做锻坯已很常见。

1.2 细晶铸造的工艺方法，细晶铸造晶核的增殖来源于合金液中已存在的或外加的固体形核基底成形核心作用，因此，细化晶粒的关键是增加合金液中的形核基底的数量。目前增加形核基底的数量的基本方法大致可分为三大类：热控法或改变铸造参数法（VCP法）、动力学法（或机械法）和化学法。这也是细晶铸造的三类基本工艺方法，如表1所示。

表1 细晶铸造的工艺方法

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其中GX法以动力学法为基础，是高温合金细晶铸造第一代动力学法工艺，它采用较高的过热温度，在合金凝固过程中打碎已凝固的枝晶骨架成为结晶核心，从而细化铸件晶粒。与热控法相比，GX法浇注过热度较大，因而使铸件薄壁部分容易成形，所获得的铸件纯净度高，晶粒度细小而均匀，通常能达到ASTM0～２级。但晶粒形态仍保留着轻微的树枝状，其缺点是不能全面改善铸件的晶粒形态，仅使厚截面部位晶粒细化。这种方法适用于铸造叶盘和其他一些回转体铸件以及截面厚大的细晶铸件。MX法是Howmet公司开发的第二代动力学法细晶铸造工艺，其特点是将机械扰动与快速凝固相结合以获得晶粒更加细小的晶胞组织，用此法铸造的铸件晶粒度能达ASTM3~5级或更细，可与变形高温合金零件的晶粒度相媲美，因而能以比GX法更大的幅度提高铸件的力学性能。直到目前为止，该工艺仍属不公开的专利。但从有关资料分析，其工艺要点主要包括：①合金精炼后静止降温，使浇注过热度保持在20℃以内。②浇注时对合金液进行机械或电磁感应扰动，使合金液成细小的液滴流注入预热铸型的型腔。③在铸型内扰动合金液并提高铸型对合金液的冷却强度，使铸件在整个截面上都能生成均匀、细小、非枝晶的晶胞组织。MX法现主要用于生产镍基高温合金的熔模铸件、铸锭和可锻坯件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术所存在的不足之处，提供一种震动加压细晶铸造设备及制造工艺,该震动加压细晶铸造设备不但能用化学法和热控法铸造细晶叶片、细晶整体结构件，而且还可用铸型震动加压法生产出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件，该制造工艺可以用铸型震动加压法生产出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件。

本发明的技术解决方案是，提供一种震动加压细晶铸造设备，包括炉体，炉体通过隔板将炉体分为用于材质融化的上真空室和用于成型的下真空室，炉体下真空室内设置涡轮盘模压铸单元，涡轮盘模压铸单元包括用于制作涡轮盘的模壳固定室，模壳固定室的下方设置有震动器，震动器底部与液压缸的活塞轴连接。

作为优选，所述隔板上部设有通孔，所述通孔上设有盖板，所述盖板上设有能够将盖板从通孔上分离的操作杆。

作为优选，所述模壳固定腔室顶部设有浇筑口，所述液压缸缸升高时浇筑口能够穿过通孔移动到上真空室内。

作为优选，所述炉体侧面设有凸起部，所述凸起部设有开启时能将铸件取出的舱门。

作为优选，所述凸起部上部与上真空室连通，所述凸起部下部与下真空室连通。

作为优选，所述操作杆设置在凸起部的上表面，所述操作杆顶部位于凸起部外部，所述操作杆底部位于凸起部内部，所述操作杆底部通过连杆与盖板连接。

作为优选，所述上真空室内设有用于材质融化的坩埚加热装置，所述坩埚加热装置包括加热线圈，坩埚融化腔室。

作为优选，所述模壳固定室上还设有加热器。

作为优选，所述上真空室通过管道连通真空阀。

作为优选，所述下真空室通过管道连通增压阀。

作为优选，所述炉体的底部设置有支脚。

一种震动加压细晶铸造设备制造工艺，包括以下步骤：首先，在坩埚加热装置内添加固态金属，关闭舱门，开启真空阀，将上真空室抽真空，通过加热线圈对坩埚融化腔室内的固态金属加热，直至融化；然后，通过操作杆开启盖板，由于真空阀持续开启，下真空室也逐渐变为真空至1Pa以下，通过驱动液压缸的活塞杆向上移动，下真空室内的浇筑口随之上移，并通过通孔移动到上真空室，将坩埚融化腔室内的液态金属倒入浇筑口，与此同时加热器开启；第三，操作液压缸活塞杆下移，浇筑口复位到下真空室内，通过操作杆将盖板复位，密封通孔，通过增压阀往下真空室内通入惰性气体氩气，并保持压力0.06MPa，冷却压铸，与此同时开启震动器，关闭加热器；最后，关闭震动器，冷却至室温，开启舱门，取出铸件。

采用本技术方案的有益效果：采用本技术方案的有益效果：1、将铸造腔室分为两个，一个为真空条件下的融化腔室，另一个为高压条件下的铸造腔室，有效防止了气泡、沙眼的铸造弊端的产生；2、铸造腔室增加震动器，利用震动对铸件进行材料质地的优化，保证了产品整体质量，提高了铸件上面的组织密度，提升产品耐腐蚀。

附图说明

图1为震动加压细晶铸造设备的结构示意图。

图2为图1中A-A处的剖视图。

图3为图1的立体结构示意图。

图4为拆除凸起部的内部结构示意图。

图5为隔板及下真空室内机构图。

图6为传统非震动增压状态下合金细晶涡轮铸件各部位晶粒度图。

图7为本技术方案制备的合金细晶涡轮铸件各部位晶粒度图。

图中所示： 1、炉体，2、通孔，3、盖板，4、加热器，5、震动器，6、模壳固定室， 7、浇筑口，8、液压缸，9、隔板，10、增压阀，11、下真空室，12、上真空室， 13、真空阀，14、舱门，15、坩埚加热装置，16、操作杆，17、凸起部，18、支脚。

具体实施方式

为便于说明，下面结合附图，对本发明的震动加压细晶铸造设备做详细说明。

如图1至图5中所示，一种震动加压细晶铸造设备，包括炉体1，炉体1通过隔板9将炉体1分为用于材质融化的上真空室12和用于成型的下真空室11，炉体下真空室11内设置涡轮盘模压铸单元，涡轮盘模压铸单元包括用于制作涡轮盘的模壳固定室6，模壳固定室6可以为一个也可为多个，图中为两个的结构模式，模壳固定室6的下方设置有震动器5，震动器5底部与液压缸8的活塞轴连接。

所述隔板9上部设有通孔2，所述通孔2上设有盖板3，所述盖板3上设有能够将盖板3从通孔2上分离的操作杆16。隔板实现了上真空室和下真空室的分离，通孔目的是为了浇筑口能够上升实现液体金属介质顺利进入模具腔室，为了实现下真空室的密封，设置盖板。

所述模壳固定腔室6顶部设有浇筑口7，所述液压缸缸8升高时浇筑口7能够穿过通孔2移动到上真空室12内。

所述炉体1侧面设有凸起部17，所述凸起部17设有开启时能将铸件取出的舱门14。舱门开启方便内部铸件的拿取。

所述凸起部17上部与上真空室12连通，所述凸起部17下部与下真空室11连通。凸起部虽然分别与上真空室和下真空室都连通，但是隔板9依然将其分为两个独立腔室，上真空室和下真空室在凸起部也是被隔开的，开启舱门后可对上真空室和下真空室进行检修。

所述操作杆16设置在凸起部17的上表面，所述操作杆16顶部位于凸起部17外部，所述操作杆16底部位于凸起部17内部，所述操作杆16底部通过连杆与盖板3连接。操作杆通过内部连接传动，达到利用外部操作实现内部盖板将通孔封堵和开启的目的，结构简单，稳定性强，使用方便。

所述上真空室12内设有用于材质融化的坩埚加热装置15，所述坩埚加热装置包括加热线圈，坩埚融化腔室。坩埚加热装置利用电加热对金属材料进行加热，直至融化，该技术较为成熟，再次不做详细介绍。

所述模壳固定室6上还设有加热器4。在高压铸造的同时，为了保证质量，增加加入器，保证了液体金属能够顺利充满模壳固定室内的模具腔室。

所述上真空室12通过管道连通真空阀13。设置真空阀13的作用是将上真空室12抽真空，真空阀后面还需接上真空发生器等部件，一般工厂都有类似的设备，在此不做详细介绍。

所述下真空室11通过管道连通增压阀10。设置增压阀10作用是往下真空室11通入氩气，氩气属于惰性气体，并且高压情况下保证铸件稳定性。

所述炉体1的底部设置有支脚2。将设备稳定的固定在地面上，并且为升降油缸提供工作间隙。

炉体1内设置有上真空室12和下真空室11，上真空室12连通上真空室放气阀13，下真空室11连通下真空室氩气进气阀10，上真空室12和下真空室11之间有中间板阀9相隔。

利用该设备可铸造出外形尺寸达450mm、重量达30kg的细晶且无显微疏松铸件，利用该设备可铸造出外形尺寸达450mm、重量达30kg的细晶铸件，普通的真空铸造也能铸造出直径450mm的涡轮盘，但是盘体晶粒粗大，机械性能低，达不到使用要求。

大直径的涡轮盘通常是叶片和盘体分开，盘体使用高温合金锻件加工而成，利用榫槽，榫齿结构与叶片连接，这样加工费时费工，制造成本高。此真空振动加压铸造方法有效的解决了大直径涡轮叶盘晶粒粗大，晶界易产生显微疏松，导致涡轮盘体机械性能低下的问题，从而使高性能整铸大直径涡轮盘成为现实。

在该设备上不但能用化学法和热控法铸造细晶叶片、细晶整体结构件，而且还可用铸型震动加压法生产出纯净度较高的细晶整体叶盘、涡轮等回转体铸件，其工艺原理与GX法相近。

一种震动加压细晶铸造设备制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：首先，在坩埚加热装置15内添加固态金属，关闭舱门14，开启真空阀13，将上真空室12抽真空，通过加热线圈对坩埚融化腔室内的固态金属加热，直至融化。

然后，通过操作杆16开启盖板3，由于真空阀13持续开启，下真空室11也逐渐变为真空至1Pa以下，通过驱动液压缸8的活塞杆向上移动，下真空室11内的浇筑口7随之上移，并通过通孔2移动到上真空室12，将坩埚融化腔室内的液态金属倒入浇筑口7，与此同时加热器4开启。

第三，操作液压缸8活塞杆下移，浇筑口7复位到下真空室11内，通过操作杆16将盖板3复位，密封通孔2，通过增压阀10往下真空室11内通入惰性气体氩气，并保持压力0.06MPa，冷却压铸，与此同时开启震动器5，关闭加热器4。

最后，关闭震动器5，冷却至室温，开启舱门14，取出铸件。

将所需合金放入坩埚内,将上下真空室中间板阀9上的通孔2关闭，盖上盖板3，抽真空1Pa以下，送电融化合金，待合金精炼合格后，降至浇铸温度，此时将所需模壳装卡涡轮盘模组升降系统中，将下真空室压力抽至与上真空室一致，打开盖板3，将液压缸8上升使模壳浇筑口处到达合适位置后开始浇铸。

浇铸完成后迅速使液压缸下降至合适位置后，关闭通孔上的盖板，打开振动器5，打开氩气增压阀10，使下真空使压力升至0.06MPa，让整体涡轮盘在压力下结晶，待涡轮盘铸件完全凝固后，打开下真空室，取出铸件，这样就完成一个零件的浇铸过程。

在对合金熔液精炼干净后，调整好浇注温度，然后浇入型壳中，此时往下真空室11内通入适当压力的高纯氩气体，静止一段时间后，铸型开始震动，直到凝固完毕。

铸型震动加压法主要控制的搅动参数为：浇注后合金液在铸型内的静止时间τ静；震动频率Hz振,震动总时间为τ，冲压时间τ压冲压压力Mpa，实验中通过变化合金的浇注过热温度Δt浇及震动参数来得到不同的晶粒度。

铸型震动加压工艺的优点在于采用比热控法细晶工艺高得多的浇注温度，因而铸件纯净度高，薄壁部位容易成形。

相比之下，传统的热控法细晶铸造工艺和硼化物沉淀工艺主要依赖于很低的浇注温度，因而导致了非金属夹杂物的诱入,通过加压凝固，使铸件内部显微疏松得以消除，传统的旋转法细晶铸造通过热等静压来消除显微疏松，效果不是很理想，铸型震动加压细晶工艺省掉热等静压的工序，提高铸件质量同时降低铸件成本。

铸型震动加压（ZDJY法）细化铸件晶粒基于在凝固过程中对枝晶破碎、增殖形核质点,使铸件晶粒不易长大，通过加压使金属溶液更顺利的流入枝晶破碎时产生的显微间隙（疏松）当中，从而消除铸件显微疏松的原理。

在金属液凝固过程中，通过铸型震动使铸型壁上最初形成的枝晶被破碎，破碎的枝晶分布于整个合金液中，因而创造了有效的形核核心，导致铸件产生细小、均匀和等轴的晶粒。此外，铸型中心到铸型壁的热梯度得到降低，因此不管铸件截面厚度如何变化，都能获得较均匀的等轴晶，震动时产生的显微疏松，通过加压凝固的方式消除，使铸件组织更加完美，各项机械性能大幅度提升。

采用本发明工艺进行细晶铸造的实例：

采用铸型震动加压法细晶铸造生产了某航空发动机上在中温条件（470~950℃）下使用的整体涡轮。该整体涡轮直径为450mm，铸件毛重26.5kg，用K424镍基高温合金铸造，其主要化学成分见表2。

熔模型壳用硅酸乙酯-刚玉砂制壳工艺制成。合金的熔炼和浇注在自制的细晶铸造真空感应炉内进行。细晶铸造的工艺参数见表3。

表2 K424合金主要化学成分（质量分数，%）

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表3 K424合金整体涡轮的细晶铸造工艺参数

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细晶加压技术铸造涡轮盘不需要热等静压（HIP）和热处理。在固溶处理1210℃，4小时，空冷后涡轮的轮毂部位沿轴向切取性能试棒，测定室温和高温抗拉性能、高温持久性能和低周疲劳性能。

低周疲劳试验在美国UTM5105X电液伺服闭环回路疲劳试验机上进行数据（表4）。为了便于比较，从K424合金普通铸造涡轮上切取试棒，其处理工艺、测试条件与细晶涡轮相同，数据（表5）对比数据如下：

表4

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表5

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细晶铸造对铸件晶粒度形态及显微组织的改善，在上述细晶铸造工艺条件下，所获得的K424合金细晶涡轮各部位晶粒度列于图7，它与普通铸造条件下的涡轮晶粒度对比示于图6。

通过以上对比此铸型震动加压法细晶铸造方法，在性能方面远优于普通铸造。

Claims (10)

1.一种震动加压细晶铸造设备，包括炉体（1），其特征在于：炉体（1）通过隔板（9）将炉体（1）分为用于材质融化的上真空室（12）和用于成型的下真空室（11），炉体下真空室（11）内设置涡轮盘模压铸单元，涡轮盘模压铸单元包括用于制作涡轮盘的模壳固定室(6)，模壳固定室(6)的下方设置有震动器(5)，震动器(5)底部与液压缸(8)的活塞轴连接。

2.如权利要求1所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述隔板（9）上部设有通孔（2），所述通孔（2）上设有盖板（3），所述盖板（3）上设有能够将盖板（3）从通孔（2）上分离的操作杆（16）。

3.如权利要求2所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述模壳固定腔室（6）顶部设有浇筑口（7），所述液压缸（8）升高时浇筑口（7）能够穿过通孔（2）移动到上真空室（12）内。

4.如权利要求3所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述炉体（1）侧面设有凸起部（17），所述凸起部（17）设有开启时能将铸件取出的舱门（14）。

5.如权利要求4所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述凸起部（17）上部与上真空室（12）连通，所述凸起部（17）下部与下真空室（11）连通。

6.如权利要求5所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述操作杆（16）设置在凸起部（17）的上表面，所述操作杆（16）顶部位于凸起部（17）外部，所述操作杆（16）底部位于凸起部（17）内部，所述操作杆（16）底部通过连杆与盖板（3）连接。

7.如权利要求6所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述上真空室（12）内设有用于材质融化的坩埚加热装置（15），所述坩埚加热装置包括加热线圈、坩埚融化腔室。

8.如权利要求7所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述模壳固定室(6)上还设有加热器(4)；所述上真空室(12)通过管道连通真空阀(13)；所述下真空室(11)通过管道连通增压阀(10)。

9.如权利要求8所述的一种震动加压细晶铸造设备，其特征在于：所述炉体（1）的底部设置有支脚（18）。

10.根据权利要求9所述一种震动加压细晶铸造设备制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：首先，在坩埚加热装置（15）内添加固态金属，关闭舱门（14），开启真空阀（13），将上真空室（12）抽真空，通过加热线圈对坩埚融化腔室内的固态金属加热，直至融化；

然后，通过操作杆（16）开启盖板（3），由于真空阀（13）持续开启，下真空室（11）也逐渐变为真空至1Pa以下，通过驱动液压缸（8）的活塞杆向上移动，下真空室（11）内的浇筑口（7）随之上移，并通过通孔（2）移动到上真空室（12），将坩埚融化腔室内的液态金属倒入浇筑口（7），与此同时加热器（4）开启；

第三，操作液压缸（8）活塞杆下移，浇筑口（7）复位到下真空室（11）内，通过操作杆（16）将盖板（3）复位，密封通孔（2），通过增压阀（10）往下真空室（11）内通入惰性气体氩气，并保持压力0.06MPa，冷却压铸，与此同时开启震动器（5），关闭加热器（4）；

最后，关闭震动器（5），冷却至室温，开启舱门（14），取出铸件。