CN104289674B - 燃气轮机柱晶导向叶片精密铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃气轮机柱晶导向叶片精密铸造方法，制造一套精铸模组，包括由上而下顺序布置的模壳和底盘，所述蜡模包括叶片蜡壳和上、下蜡胎，在叶片蜡壳内预埋有两组竖直布置的引晶条，其中一组上端对应内弧围带、下端对应外弧围带，另一组上端对应外弧围带、下端与叶片蜡壳底面齐平；在下蜡胎内预埋有一组引晶条，环绕叶身的截面型线竖直布置；在拉筋凸台C和D之下，垫有引晶段；将材料熔融浇入精铸模组；抽拉精铸模组的模壳，使熔体沿着叶片抽拉方向的反向顺序凝固，形成柱晶。本发明制得的燃气轮机柱晶导向叶片叶身晶粒无斜晶、断晶和等轴晶情况，叶片内部无疏松、缩孔，表面无裂纹，质量好、效率高、成本低，可大规模使用和推广。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮机导向叶片的制造方法，具体说，是一种燃气轮机柱晶导向叶片的精密铸造方法。
背景技术
随着政府对能源和环境问题日益重视，发展高效、清洁的重型燃气轮机能源动力透平技术在国家能源发展战略中占据重要位置。工业用燃气轮机功率的不断提高，是靠提高透平初温来实现的，需要采用承温能力愈来愈高的叶片材料。目前燃气初温的水平，透平动、导叶等高温部件的材料几乎无一例外选用镍基高温合金。从20世纪40年代以来，镍基高温合金从变形高温合金、铸造高温合金发展到定向凝固高温合金，随着精密铸造工艺的发展，透平动、静叶片从等轴晶高温合金叶片发展至定向凝固柱晶叶片。
将高温合金熔体，通过严格控制凝固过程，使其晶粒沿叶片主应力方向平行生长，消除了横向晶界，这种具有成束柱晶组织的导向叶片称为柱晶叶片，其铸造工艺称为定向凝固工艺。与普通等轴晶叶片相比较，柱晶叶片具有以下特点：（1）在垂直于主应力轴的方向上基本消除了晶界，持久强度高；（2）铸造疏松易于控制；（3）振动阻尼效果好；（4）不存在物理意义上的低周疲劳损伤；（5）薄壁效应小。
柱晶叶片的柱状晶的方向、大小、平均偏离度直接影响叶片的性能，是定向凝固工艺的几个主要技术指标，相对而言，动叶片的轮廓形状比较简单，柱晶方向单一，工艺难度较小，国内外具有成熟经验；而重型燃机导向叶片尺寸大、形状复杂（见图1），该导向叶片是扇形弧段结构，具有整体结构的叶身、内弧围带、外弧围带，在内弧围带的内弧面上具有拉筋凸台A、B，在外弧围带的外弧面上具有拉筋凸台C、D , 拉筋凸台A、B、 C、D呈放射状分布；定向凝固的柱晶方向与叶身主应力方向平行。
如何控制柱状晶粒的生长方向以及晶粒的大小、平均偏离度，工艺难度很大，迄今尚无成功先例。
发明内容
本发明的目的，是提供一种重型燃机柱晶导向叶片的精密铸造方法，该方法采用近净成型定向凝固工艺，可成功的铸造出重型燃机柱晶导向叶片，技术效果优良。
本发明所采用的技术方案是：
燃气轮机柱晶导向叶片精密铸造方法，所述导向叶片是扇形弧段结构，具有整体结构的叶身、内弧围带、外弧围带，在内弧围带的内弧面上具有拉筋凸台A和B，在外弧围带的外弧面上具有拉筋凸台C和D , 拉筋凸台A、B、C和D呈放射状分布；其铸造方法是，制造一套精铸模组，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘，所述模壳包括叶片蜡壳和上、下蜡胎，所述叶片蜡壳的内部空间分为上、中、下三部分，上部分空间为杯状结构，作为熔体材料的浇口；上蜡胎布置在中部分空间，位于拉筋凸台A和B之间，形成水平浇道；下部分空间轮廓与导向叶片的轮廓形状一致，作为导向叶片的浇注定型空间；该空间的方位是：内弧围带居上，外弧围带居下，叶身居中且竖直；下蜡胎位于拉筋凸台C和D之下；在叶片蜡壳内预埋有两组竖直布置的引晶条，其中一组分布在围带的两个圆周方向端面，上端对应内弧围带、下端对应外弧围带，另一组分布在外弧围带的两个宽度方向端面，上端对应外弧围带、下端与叶片蜡壳底面齐平；在下蜡胎内预埋有一组引晶条，环绕叶身的截面型线竖直布置；在拉筋凸台C和D之下，垫有引晶段；
按如下步骤铸造导向叶片：
（1）、将预制的模壳焙烧后，与底盘组合成精铸模组；
（2）、将材料熔融浇入精铸模组；
（3）、抽拉精铸模组的模壳，使熔体沿着叶片抽拉方向的反向顺序凝固，形成柱晶。
所述步骤（1）中模壳的焙烧温度为1450℃，
所述步骤（2）中熔体浇注温度为1550℃，浇注完成的时间为5～10 s。
所述步骤（3）中抽拉模壳分为三段，先以 15mm/min抽拉速度抽拉模壳，以便充分选晶；随后降低抽拉速度为12mm/min；最后抽拉速度为 8mm/min。
本发明所产生的有益效果为：
1. 本发明采用端壁引晶段、引晶条和变抽拉速度制备定向凝固导叶片，生产的大尺寸、形状复杂、近净成型定向导向叶片叶身晶粒无斜晶、断晶和等轴晶情况，叶片内部无疏松、缩孔，表面无裂纹；
2. 定向凝固柱晶发散度不大于20°，叶身型面中弦部位至少有5个柱状晶，柱状晶的平均偏离度不大于10°；
3. 采用该方法进一步提高了近净成型定向凝固导向叶片的合格率，应用到其他型号重型燃机以及航空发动机叶片的生产过程中，产生更大的经济效益。
附图说明
图1为重型燃机导叶示意图
图2为本发明的实施示意图
图3为导叶片外端壁俯视图
图4 为变抽拉速度拉晶示意图
图中标号表示：1-浇口杯，2-水平浇道，3-内弧围带的浇注定型空间，4-叶身的浇注定型空间，5-外弧围带的浇注定型空间，6-引晶段，7.1-引晶条，7.2-引晶条，8-引晶条，9-水冷铜盘，10-蜡壳。
具体实施方式
如图1～4所示，本发明是一种燃气轮机柱晶导向叶片精密铸造方法，该导向叶片是扇形弧段结构，具有整体结构的叶身、内弧围带、外弧围带，在内弧围带的内弧面上具有拉筋凸台A和B，在外弧围带的外弧面上具有拉筋凸台C和D。
其铸造方法是，制造一套精铸模组，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘（即水冷铜盘9）。模壳包括叶片蜡壳10和上、下蜡胎，叶片蜡壳10的内部空间分为上、中、下三部分，具体的：
叶片蜡壳10的上部分空间为杯状结构，作为熔体材料的浇口杯1。上蜡胎布置在蜡壳10的中部分空间、设置在拉筋凸台A和B的之间，形成水平浇道2；本具体实施方式中，上蜡胎布置设置在拉筋凸台A和B的顶部之间。蜡壳10的下部分空间轮廓与导向叶片的轮廓形状一致，作为导向叶片的浇注定型空间。该导向叶片的浇注定型空间的方位是：内弧围带的浇注定型空间3居上，外弧围带的浇注定型空间5居下，叶身的浇注定型空间4居中且竖直。下蜡胎布置在蜡壳10的下部分空间、位于拉筋凸台C和D的之下。
本发明最主要的创新之处在于，在蜡壳10内预埋有两组竖直布置的引晶条7，其中：一组引晶条7.1分布在围带的两个圆周方向端面，上端对应内弧围带的浇注定型空间3、下端对应外弧围带的浇注定型空间5；另一组引晶条7.2分布在外弧围带的两个宽度方向端面，上端对应外弧围带的浇注定型空间5、下端与蜡壳10的底面齐平。同时，在下蜡胎内预埋有一组引晶条8，环绕叶身的浇注定型空间4的截面型线竖直布置。另外，在拉筋凸台C和D之下、沿拉筋凸台C和D的长度方向垫有引晶段6；
按如下步骤铸造导向叶片：
（1）、将预制的模壳焙烧后，与底盘组合成精铸模组；其中，模壳的焙烧温度为1450℃。
（2）、将材料熔融浇入精铸模组；其中，熔体浇注温度为1550℃，浇注完成的时间为5～10 s。
（3）、将上述浇注有熔体的精铸模组放置在水冷铜盘9上，抽拉模壳10，使熔体沿着叶片抽拉方向的反向顺序凝固，形成柱晶。其中，抽拉模壳10分为三段，先以 15mm/min抽拉速度抽拉模壳10，以便充分选晶；随后降低抽拉速度为12mm/min；最后抽拉速度为 8mm/min。
实施例1
一种大尺寸、形状复杂、近净成型定向导向叶片的制备方法。该导向叶片全长170mm，叶身长度100mm，按照图4设计精铸模组，拉晶高度为220mm。采用EC95制备模壳，模壳的焙烧温度为1450℃，浇注温度为1550℃，浇注完成时间为5～10 s。浇注完成后、由下至上，先以 15mm/min的抽拉速度抽拉模壳1020mm，以便充分选晶；随后以12mm/min的抽拉速度抽拉模壳40mm；最后以8mm/min的抽拉速度抽拉模壳160mm、将模壳拉伸完毕。
实施例2
某燃机近净成型1级定向柱晶导向叶片的制备方法。该导向叶片全长181mm，叶身长度77mm，按照图4设计精铸模组，拉晶高度为230mm。采用EC95制备模壳，模壳的焙烧温度为1500℃，浇注温度为1550℃，浇注完成时间为5～10 s。浇注完成后、由下至上，先以 20mm/min抽拉速度抽拉型壳，以便充分选晶；随后降低抽拉速度为10mm/min；最后抽拉速度为 8mm/min。
实施例3
某燃机近净成型1级定向柱晶导向叶片的制备方法。该导向叶片全长290mm，叶身长度180mm，按照图4设计精铸模组，拉晶高度为330mm。采用EC95制备模壳，模壳的焙烧温度为1500℃，浇注温度为1500℃，浇注完成时间为5～10 s。浇注完成后、由下至上，先以 20mm/min抽拉速度抽拉型壳，以便充分选晶；随后降低抽拉速度为10mm/min；最后抽拉速度为 8mm/min。
Claims (1)
1. 燃气轮机柱晶导向叶片精密铸造方法，所述导向叶片是扇形弧段结构，具有整体结构的叶身、
内弧围带、外弧围带，在
内弧围带的内弧面上具有拉筋凸台A和B，在外弧围带的外弧面上具有拉筋凸台C和D , 拉筋凸台A、B、C和D呈放射状分布；其铸造方法是，制造一套精铸模组，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘，所述模壳包括叶片蜡壳和上、下蜡胎，其特征在于，所述叶片蜡壳的内部空间分为上、中、下三部分，上部分空间为杯状结构，作为熔体材料的浇口；上蜡胎布置在中部分空间，位于拉筋凸台A和B之间，形成水平浇道；下部分空间轮廓与导向叶片的轮廓形状一致，作为导向叶片的浇注定型空间；该空间的方位是：
内弧围带居上，外弧围带居下，叶身居中且竖直；下蜡胎位于拉筋凸台C和D之下；在叶片蜡壳内预埋有两组竖直布置的引晶条，其中一组分布在围带的两个圆周方向端面，上端对应
内弧围带、下端对应外弧围带，另一组分布在外弧围带的两个宽度方向端面，上端对应外弧围带、下端与叶片蜡壳底面齐平；在下蜡胎内预埋有一组引晶条，环绕叶身的截面型线竖直布置；在拉筋凸台C和D之下，垫有引晶段；
按如下步骤铸造导向叶片：
（1）、将预制的模壳焙烧后，与底盘组合成精铸模组；其中，模壳的焙烧温度为1450℃；
（2）、将材料熔融浇入精铸模组；其中，熔体浇注温度为1550℃，浇注完成的时间为5～10s；
（3）、抽拉精铸模组的模壳，使熔体沿着叶片抽拉方向的反向顺序凝固，形成柱晶，抽拉模壳分为三段；其中，先以15mm/min抽拉速度抽拉模壳，以便充分选晶；随后降低抽拉速度为12mm/min；最后抽拉速度为8mm/min。
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