TWI403372B - 製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法 - Google Patents

Description

製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法

本發明是有關一種精密鑄造方法製作渦輪轉子之方法，過程中將轉子轉盤部及全部渦輪葉片以一次鑄出方式製作高品質整體鑄造之渦輪轉子。

自二次大戰末期發展出渦輪引擎，目前渦輪引擎仍是重要之推進系統。於渦輪引擎中最重要之零件即為渦輪轉子，渦輪轉子可分成渦輪轉盤及渦輪葉片二部分，此二部分各有其使用上之功能與要求，一般是分別製造後再組合，常用的方式是鳩尾槽嵌合。渦輪葉片因須與高溫之燃氣接觸，因此均使用高強度之超合金，又因渦輪葉片之外形複雜且超合金材質不易加工等因素，渦輪葉片一般均採用精密鑄造方式製造。精密鑄造為廣義脫蜡鑄造之一種，過程中必須控制合金材質及尺寸精度等品質，因此在工業上稱之為精密鑄造。為使鑄品之尺寸精度達到規格，過程中使用模具來控制模型之尺寸，並進而控制鑄品之品質。小型之渦輪引擎其渦輪轉子一則為節省造成本，另則因空間限制無法使用鳩尾槽嵌合方式，因此將渦輪轉盤與渦輪轉子以一次鑄出方式，稱之為整體鑄造轉子。

以整體鑄造方式製造渦輪轉子雖有可解決葉片與轉盤結合問題，但其技術上卻有相當困難度。由於渦輪轉子通常在嚴苛環境且在高轉速下運轉，因此品質的要求特別高。傳統渦輪轉子之葉片與轉子均為分別製造，過程中如有缺陷則可個別剔除，選取合格的葉片與轉子再作組合。但是整體鑄造的渦輪轉子因所有葉片與轉子均必須一次完整鑄出(Integrally cast)。因渦輪轉子通常採用高強度超合金製作，此等合金通常不易銲補方式作補救，也常於設計中不容許銲補，所以材質上不能有缺肉、夾渣、夾氣等任何缺陷，任何部位只要缺陷大於規格即成廢品。

傳統精密鑄造使用蜡作模型，過程中是以射蜡方式製作蜡模型。造模過程是將蜡表面以逐層沾覆耐火之陶漿、陶砂及乾燥方式形成陶殼層，重複 進行至陶殼層有一定厚度可支持脫蜡及澆鑄等程序時方止。陶殼具有足夠厚度與強度後須將其內之模型脫除。蜡質模型常用蒸氣脫蜡方式，但多少會有殘蜡留於陶殼內，此殘蜡須再經高溫燒化將殘蜡燒除，形成陶瓷殼模，簡稱陶模。為了防止陶渣殘存於陶模內造成夾渣缺陷，鑄件在模型用料上均極注意，因此製作模型之蜡材其灰分必須控制以防止燒化後殘留有過多之灰分，如灰分過多則可能形成聚結，如過大則於非破壞時被檢定成夾渣鑄疵，小於檢驗規格的小灰渣雖不致被檢定成鑄件缺陷，但仍可能包夾於合金內，對鑄件之耐疲勞強度及使用壽命等均不良。高品質鑄件須先期防止灰渣殘存於陶模內，如此可排除檢限度下之灰渣量，提高鑄件之品質。

用快速模型開發先導型精密鑄件已是一習知的技術，製作快速模型材料及製程有許多種，當然各有其優缺點。SLA(Stereo Lithogrophy Appatus)製程所製之快速模型常用於支援精密鑄造，具有用表面光度好、尺寸精度高、模型之強度中等優點，已發展出所謂快速鑄造法(Quick cast process)。於製作渦輪轉子時，光度、精度及強度等特性均必須考慮，但採用SLA快速模型材則有受熱膨脹，燒化後灰分量大等缺點。模型於燒化後之殘留灰分過多時不易自陶模內完全清除，特別是於整體鑄造渦輪轉子情況，因每一葉片部分均形成如死巷之情況，在此些如同死巷的區域如有夾渣要清出來極為困難，不論是用高壓空氣吹，真空吸，或水洗，水沖等均不具效果。灰分如留存於陶模內，則澆鑄後灰分會夾雜於合金中，不但影響合金品質，也可能因其出現於重要位置而即刻形成廢品。於傳統精密鑄造時，模型材為蜡，一般為防止陶模內有過多之殘渣，蜡質之灰分量必 須嚴格控制。目將葉片前端連接形成通道有助於清除陶模內之殘渣，但是此通道易於鑄造時阻礙合金之凝固收縮，由於轉盤部位之收縮量很大，此作法極易造成葉片縮裂因此並不能解決問題。另於US4436485，US5680895，US6857707等專利中均揭示整體鑄造具單向或單晶葉片之渦轉子，其造模方式為開放式，亦即葉片前端與根部形成通道，但其於葉片前端另具有延伸塊供單晶或單向晶生長用，其延伸塊斷面積大於葉片前端斷面積，此作法一方面於單晶或單向晶等製程中其凝固時間甚長極不經濟，而於等軸晶鑄造時增加此延伸塊時易因凝固收縮阻礙造成熱裂。

本發明的目的為發明出一種方法使能確實的去清潔及檢查陶模內部。由於渦輪轉子之造形複雜，陶模內之情況不易檢查更不易去清潔，而用於鑄製渦輪轉子之合金為價昂且不易銲補之超合金，本發明即在確保陶模內部清潔後方進行澆鑄。

本發明的作法是將渦輪轉子之設計略作更改，將葉片前端增加一延長段，此延長段可順著原有葉片之弧面曲率延伸，或依葉片前端形狀作平行延長，原則上控制斷面不會增大造成凝固收縮之阻礙，於鑄造後將延長段以適當方法，如線切割法，切除延長段後將不會影響到原有葉片之形狀及尺寸。

延長段長度為1至10mm，最佳在3-5mm，太短則可能影響後之加工去除，太長則造成合金及造模成本增加且鑄模體積過大對一定容量之熔爐也不利。

葉片延長段之前端以一連接環連接，連接環以能連接各葉片，使複數個葉片能形成連通之通道為原則，可以是分開之環段，但最佳是形成一環。此環之寬度以略大於葉片最前端之寬度為宜，亦即環單邊寬出量以1-10mm為宜，最好在3-5mm，太短則不易於造模時將陶漿括除乾淨，太長則易於葉片前端造成積漿過厚情形，不但浪費材料也不利於鑄造後之金屬收縮及散熱。

模型修改完成後，依習知之組樹方式將模型接上流路系統，渦輪轉子模型上則可直接接上澆口杯以形成蜡樹。陶模材料如習知精密鑄造用之耐火材料，粉料先配成陶漿，造模過程中依習知之沾漿、沾砂方式使蜡樹表面覆著完整之陶殼層。習知之陶模製程於沾漿、沾砂後即進行乾燥，本發明製程中，於沾漿、沾砂完成須使將連接環之上下端面或外徑面區之陶層不沾覆陶漿且不會形成陶殼層，如此經數個道次後，渦輪轉子蜡樹表面將形成一具有相當厚度之陶殼層，但於連接環區部位則不具有陶殼層。之後將此覆有陶殼層之蜡樹習知方式，如蒸氣脫蜡或速燒脫蜡方式將模型材脫除，再經900-1100度C之高溫燒結，使陶模材具有一定之燒結強度，如此所製之渦輪轉子鑄造用陶模葉片前端區呈通孔狀。

因葉片前端呈開口狀，葉片之前端與根部形成一通孔，由葉片前端或根部均可輕易的進行陶模模穴內部之清潔及檢查。清潔的方法可為高壓空氣吹、用水沖洗，用毛刷去刷或其任何方便之方法，檢查方法可為目視或用反射鏡、內視鏡等工具協助檢查。確認陶模模穴內部足夠清潔後，於澆鑄前須將葉片前端開口再用耐火料封住；也可將陶模修磨具有推拔角後再 與有相同推拔角之耐火材料或耐溫金屬製之套環接合以封住開口。於本發明中葉片前端不會有延伸塊，不會造成凝固收縮之阻礙，也不會有造成葉片熱裂之情形。

將一直徑為201mm之小型渦輪引擎用轉子，轉子含轉盤(101)及葉片(102)，葉片前端寬度約17mm，取得設計圖檔後將葉片前端加長3mm，形成一延長段(103)，再於延長段前端加上厚度5mm，寬度23mm之連接環(104)，環各單邊約寬出3mm，如此完成模型外型之修改，模型由SLA快速模型製程製造，使用SL7000系材質。樹脂模型完後接上蜡質澆口杯(105)形成蜡樹。將蜡樹以精鑄現場現有陶漿及陶砂進行沾漿及沾砂，每一道次在乾燥前均使連接環部不形成陶殼層，進行完8道次後再隔夜乾燥，再用蒸氣脫蜡方式將澆口杯處蜡脫除，並即刻將脫完蜡之陶模(106)送入900度C之燒結爐內進行燒化30分鐘，再升溫至1050度C燒成2小時。所製成陶模如附件1所示，於各葉片前端均呈通孔狀。於清潔處理完成後再將陶模葉片前端之開口區(107)用耐火料予以封住，如附件2所示，即形成陶模，之後經真空鑄造成渦輪轉子，所鑄轉子經目視，X光及螢檢等檢驗以確認無渣質缺陷。

101‧‧‧渦輪轉盤

102‧‧‧渦輪葉片

103‧‧‧葉片前延伸段

104‧‧‧連接環

105‧‧‧澆口杯

106‧‧‧陶模

107‧‧‧陶模開口區

圖一為渦輪轉子結構示意圖；圖二為葉片尖端加設延伸段及連接環示意圖；圖三為本發於造模時於葉片尖端形成開口示意圖；

105‧‧‧澆口杯

106‧‧‧陶模

107‧‧‧陶模開口區

Claims (5)

1. 一種製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法，過程中先將原渦輪轉子模型之葉片前端增加一延長段，延長段依原有葉片之弧面曲率延伸，或依葉片前端形狀作平行延長，延長段之前端以一環或環段連接，經由模型製程製造從而得到一新之渦輪轉子模型；當精鑄時，將此新之渦輪轉子模型接上澆口杯形成蜡樹，於造模過程依精鑄沾漿、沾砂方式使蜡樹表面覆著完整之陶殼層，並使延長段前端之環或環段之上下端面或外徑面區之陶層不沾覆陶漿且不會形成陶殼層，如此經數個道次後，再以脫蜡及燒結爐進行高溫燒結，使陶模之葉片前端呈通孔狀形成開口，並於清潔模穴後再用耐火料封住葉片前端開口進行鑄造，鑄造後再將延長段切除。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法，所使用之渦輪轉子模型為SL材質之燒失性模型。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法，渦輪轉子模型葉片前端具有延長段，延長段長度為1至10mm。
4. 如申請專利範圍第3項所述之一種製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法，渦輪轉子模型葉片前端延長段長度範圍1-10mm，最佳在3-5mm。
5. 如申請專利範圍第4項所述之一種製作高品質整體鑄造渦輪轉子之方法，渦輪轉子模型葉片前端延長段具有一連接環，可形成為一環或分開之環段，環單邊寬度比葉片前端寬出1-10mm。