TWI604902B - Engine Turbine rotor casting method - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種鑄造方法，特別是指一種引擎渦輪轉子的脫蠟鑄造方法。
參閱圖1，一般的脫蠟精密鑄造方式大致包含一射蠟步驟11、一組樹步驟12、一製殼步驟13、一脫蠟步驟14，及一澆鑄步驟15。在該射蠟步驟11中，先依成品外型設計出一金屬模，接著以射蠟機對該金屬模進行射蠟而製得一蠟型。在該組樹步驟12中，將多個蠟型焊黏於澆流道上而組立成一蠟樹。在該製殼步驟13中，將該蠟樹浸入裝有漿體的漿桶中以進行浸漿作業，接著取出並滴盡過剩的漿液，而後對該蠟樹淋灑具耐火性的細粒以進行淋砂作業，浸漿作業和淋砂作業會反覆進行直到該蠟樹的表面獲得預定厚度的殼模，操作的次數及殼模的厚度係視工件的尺寸與重量而定，其厚度須能支撐澆鑄時金屬熔液的重量與壓力而不致破裂。
在該脫蠟步驟14中，將帶有該殼模的蠟樹置入一高壓容器內鎖緊，並通入蒸氣加熱以使蠟質迅速熔化而流出，從而可取得耐火而不會熔化的殼模。接著對該殼模進行燒結以將殘附於該殼模表面的少量蠟質完全燃燒，且提高該殼模的強度。在該澆鑄步驟15中，將金屬熔液倒入該殼模中，待金屬溶液冷卻後將該殼模去除，從而製得一由多個成品所組成的鑄件，最後對該鑄件進行後處理以製得多個成品。
上述的脫蠟精密鑄造方式不需使用切削或鑽鑿等減法加工方式便能製得成品，適合製造高精密度且具薄壁構造的引擎渦輪轉子。然而該脫蠟精密鑄造方式在該製殼步驟13中，使用的漿體多為矽酸膠製成，因此製成的殼模穩定性較低，導致在該澆鑄步驟15中，該殼模容易與金屬熔液反應而形成氧化層，造成製得的引擎渦輪轉子結構強度不佳而無法耐受高溫高轉速的環境，降低產品品質及競爭力。
因此，本發明之目的，即在提供一種殼模穩定性較高的引擎渦輪轉子之鑄造方法。
於是，本發明引擎渦輪轉子的鑄造方法，包含一製蠟步驟、一製殼步驟、一脫蠟步驟，及一澆鑄步驟。在該製蠟步驟中，以積層製造方式製得多個蠟胚，並將該等蠟胚組裝成一蠟件。在該製殼步驟中，將氧化釔粉泡製成氧化釔漿，並以淋漿方式於該蠟件的表面形成一殼模。在該脫蠟步驟中，待該殼模乾燥後以高溫高壓將該殼模與該蠟件分離，在該澆鑄步驟中，對該殼模進行預熱，並將熔煉後的液態金屬液倒入該殼模中，待冷卻後去除該殼模而成型出一鑄件，該鑄件包括多個對應該蠟胚的引擎渦輪轉子。
本發明之功效在於：使用穩定性較高的氧化釔作為浸漿的漿體，使得成型出的殼模不易與液態金屬液形成氧化層，從而避免製得的引擎渦輪轉子的強度降低，並能承受高溫高轉速之作業環境，以維持產品品質。
參閱圖2、圖3及圖4，本發明引擎渦輪轉子2的鑄造方法之一實施例，包含一製蠟步驟31、一製殼步驟32、一脫蠟步驟33，及一澆鑄步驟34。在該製蠟步驟31中，將100%純蠟作為成型材質，並以俗稱3D列印的積層製造方式製得多個如圖3所示的蠟胚41。接著將該等蠟胚41如圖4所示地以組樹方式組立成一蠟件42，在本實施例中，若欲製出直徑42mm至55mm的引擎渦輪轉子2，則一個蠟件42的組樹量約為12個蠟胚41。
在該製殼步驟32中，將氧化釔粉搭配膠液泡製成氧化釔漿，並將其盛裝於密閉漿桶中。將該蠟件42置入該密閉漿桶內，並以淋漿方式於該蠟件42的表面形成一殼模。在該脫蠟步驟33中，待該殼模乾燥後，將附著該殼模的蠟件42送進高壓鍋爐中，並以蒸汽加熱加壓以使該蠟件42迅速熔化並流出，從而將該蠟件42與可耐高溫的殼模分離，接著對該殼模進行燒結，以將殘附於該殼模表面的少量蠟質完全燃燒，並使該殼模的內部無殘留蠟液和水氣，此一工序除了去蠟之外，還可進一步提高該殼模的強度。待燒結完畢後，將該殼模移置室溫下靜置冷卻。
參閱圖2、圖4及圖5，在該澆鑄步驟34中，將該殼模放入預塑爐中並以攝氏約950度進行預熱。另一方面，以真空熔煉爐將一鈦鋁合金錠熔煉成液態金屬液。在本實施例中，該鈦鋁合金錠包含31.5~32.5wt%的鋁、7.0~8.0wt%的鈮、0.8~1.2wt%的鉻、0.4~0.6wt%的矽、0.02~0.05wt%的碳、0.1wt%以下的氧、0.05wt%以下的氮，及用以平衡且含量不為0的鈦。最後將熔煉後的鈦鋁液態金屬液倒入該殼模中，並待其冷卻後將該殼模去除而成型出一鑄件。該鑄件上包括多個如圖5所示對應該蠟胚41的引擎渦輪轉子2，經切斷及研磨等後處理後便可得到所需的引擎渦輪轉子2成品。
藉由該鑄造方法可製得高精密度且葉片厚度極薄的引擎渦輪轉子2，在本實施例中，該引擎渦輪轉子2的變形尺寸差異小於0.1%，表面孔洞小於0.5mm，疲勞變形小於1%，結晶方向為等軸晶，而當該引擎渦輪轉子2為直徑51mm時，其葉片最薄處的厚度僅有1mm，故可滿足產業需求。而透過將穩定性高的氧化釔製成該殼模，可使在該澆鑄步驟34中，該殼模不易與液態金屬液反應，從而減少氧化層的產生而有效提升該鑄件的強度，故製得的引擎渦輪轉子2可在高溫及高轉速的環境下正常運作，提升產品品質並強化市場競爭力。
綜上所述，透過該鑄造方法可製得葉片極薄且材質為鈦鋁合金的引擎渦輪轉子2，且由於該澆鑄步驟34中，該殼模不易與鈦鋁金屬液形成氧化層，因此製得的引擎渦輪轉子2強度較高，並可耐高溫及高轉速，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧引擎渦輪轉子
31‧‧‧製蠟步驟
32‧‧‧製殼步驟
33‧‧‧脫蠟步驟
34‧‧‧澆鑄步驟
41‧‧‧蠟胚
42‧‧‧蠟件
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一流程圖，說明一習知的脫蠟精密鑄造方式； 圖2是一流程圖，說明本發明引擎渦輪轉子的鑄造方法之一實施例； 圖3是一立體圖，說明本實施例的一製蠟步驟中所製得的一蠟胚； 圖4是一立體圖，說明在該製蠟步驟中，以多個蠟胚組立而成的一蠟件；及 圖5是一立體圖，說明本實施例所製得的一引擎渦輪轉子。
31‧‧‧製蠟步驟
32‧‧‧製殼步驟
33‧‧‧脫蠟步驟
34‧‧‧澆鑄步驟
Claims (4)
- 一種引擎渦輪轉子的鑄造方法，包含：一製蠟步驟，以積層製造方式製得多個蠟胚，並將該等蠟胚組裝成一蠟件；一製殼步驟，將氧化釔粉泡製成氧化釔漿，並以淋漿方式於該蠟件的表面形成一殼模；一脫蠟步驟，待該殼模乾燥後以高溫高壓將該殼模與該蠟件分離；及一澆鑄步驟，將該殼模放入預塑爐中，並以攝氏約950度對該殼模進行預熱，並將熔煉後的液態金屬液倒入該殼模中，待冷卻後去除該殼模而成型出一鑄件，該鑄件包括多個對應該蠟胚的引擎渦輪轉子。
- 如請求項1所述引擎渦輪轉子的鑄造方法，其中，在該澆鑄步驟中，以真空熔煉爐將一鈦鋁合金錠熔煉成液態金屬液。
- 如請求項2所述引擎渦輪轉子的鑄造方法，其中，在該澆鑄步驟中，該鈦鋁合金錠包含31.5~32.5wt%的鋁、7.0~8.0wt%的鈮、0.8~1.2wt%的鉻、0.4~0.6wt%的矽、0.02~0.05wt%的碳、0.1wt%以下的氧、0.05wt%以下的氮，及用以平衡且含量不為0的鈦。
- 如請求項1所述引擎渦輪轉子的鑄造方法，其中，在該脫蠟步驟中，將由該蠟件上分離出的殼模進一步進行燒結，並放至室溫中冷卻。
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