CN104550893A - 一种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置 - Google Patents

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许文勇
张国庆
李周
袁华
刘娜
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Abstract

本发明是一种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置，该过滤装置通过在浇铸中间包内设置固定的组合式过滤器，达到净化高温合金熔液、稳定液流等目的，有效减少高温合金粉末中的各种非金属夹杂物，改善粉末高温合金盘件的纯净度，提高粉末高温合金涡轮盘等发动机热端部件的安全可靠性和使用寿命。

Description

一种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置
技术领域
本发明是一种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置，属于粉末冶金技术领域。
背景技术
涡轮盘是航空发动机三大关键部件之首，其性能直接决定发动机的整体性能。随着科学技术的进步，航空、航天涡轮发动机和地面燃气轮机的推重比、功重比越来越高，涡轮盘边缘温度很高，同时发动机要求低成本、长寿命、高安全性。这就迫使涡轮盘等关键零部件的制备必须采用新材料、新工艺、新的设计理念。早期变形高温结构材料强度的提高主要是通过合金化来达到。但随着使用温度和合金强度的提高，它的合金化程度也越来越高，以至铸锭的合金元素偏析严重、热工艺塑性恶化，使得常规铸锻工艺制造涡轮盘非常困难。而粉末冶金坯件具有组织均匀、晶粒细小等快速凝固组织特征，同时它的热工艺塑性明显改善。近几十年来，粉末高温合金涡轮盘的发展与应用得到快速发展，以至粉末高温合金已成为目前推重比8以上的高性能发动机涡轮盘的首选材料。
发动机重要承力结构件服役中失效分析表明，粉末高温合金纯净度不仅影响到零部件的使用性能，而且直接影响这些关键部件的可靠性。粉末高温合金的纯净度是涡轮盘安全寿命的主要控制因素，影响并决定了发动机的安全寿命，已逐渐成为粉末高温合金生产、使用中一个关键的重要因素。因而采用一定途径消除或减少非金属夹杂物的含量和尺寸对于高应力水平下构件的安全使用是非常重要的。
粉末高温合金中的非金属夹杂物多为脆性的陶瓷夹杂,主要成分为Al、Si、Ca、Mg、O等,它们主要来源于母合金熔炼及制粉过程。尽管目前的母合金制备过程中采取多种措施,如改进了真空感应熔炼(VIM)条件,使母合金纯净度大为提高,但夹杂物超标仍然困扰着粉末高温合金涡轮盘的研制和生产。目前的雾化制粉炉，高温合金的重熔一般采用氧化铝或氧化锆的单一泡沫过滤片进行熔液净化，而且是将过滤片不固定直接放置在浇铸中间包的底部，不予固定。此种过滤工艺有以下弊端：1)泡沫过滤片材料很脆，尤其是过滤片边缘容易破碎掉渣,直接进入到粉末中，引入新的夹杂物；2)过滤片不固定在中间包内，液体浇注时，由于其密度远低于高温合金，所以容易漂浮在液面上，稳流和净化作用明显减弱。
由于氩气雾化高温合金粉末制备技术的工艺细节很少见诸于国外文献报道。在国内，中航工业北京航空材料研究院所是唯一从事粉末高温合金涡轮盘用氩气雾化高温合金粉末的研制和生产单位，该技术中的很多技术细节还需要进一步的完善。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置，其目的是在浇铸中间包内设置固定的组合式过滤器，达到净化高温合金熔液、稳定液流等目的，有效减少高温合金粉末中的各种非金属夹杂物，改善粉末高温合金盘件的纯净度，提高粉末高温合金涡轮盘等发动机热端部件的安全可靠性和使用寿命。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置，其特征在于：该过滤装置是由泡沫陶瓷过滤片(1)、直孔陶瓷过滤片(2)和双半圆陶瓷套盒(3)组成，双半圆陶瓷套盒(3)是由两个环形半圆组件对接而成，双半圆陶瓷套盒(3)的内壁上成型有环形凹槽(4)，泡沫陶瓷过滤片(1)和直孔陶瓷过滤片(2)上、下叠加在一起后夹装在双半圆陶瓷套盒(3)中间的环形凹槽(4)内，双半圆陶瓷套盒(3)的外壁固定在浇铸中间包(5)内腔中，位于内腔高度的中间处；
圆形片状的泡沫陶瓷过滤片(1)由氧化锆材料制成，厚度为20mm～30mm；
圆形片状的直孔陶瓷过滤片(2)由氧化铝材料制成，厚度为5mm～15mm；
双半圆陶瓷套盒(3)由氧化铝材料制成，该氧化铝材料中氧化铝的重量百分比为92％～99％氧化铝。
泡沫陶瓷过滤片(1)和直孔陶瓷过滤片(2)的规格为10PPI～15PPI。
本发明技术方案是采用组合过滤器，上层采用泡沫陶瓷过滤片，通过对高温合金熔液的滤饼机制、表面效应、整流效应三种过滤机制，有效过滤高温合金熔液中的非金属夹杂物；下层的直孔陶瓷过滤片为压力成型，强度明显高于泡沫陶瓷过滤片，再加上本身的形状较规则，因此不会产生破碎掉渣问题，并且还可以进一步过滤高温合金熔液，防止上层的泡沫陶瓷过滤片破碎掉渣而进入粉末中。更重要是，直孔陶瓷过滤片的独特挤出微观蜂窝陶瓷直孔，具有特殊的“整流”作用，使溶液从“紊流”变为稳定的“层流”，可防止气泡进入，避免因湍流而使金属氧化及由溶液飞溅造成的不良影响；双半圆陶瓷套盒将两个过滤片固定在雾化制粉炉的浇铸中间包内，有利于高温合金熔液的的稳流和净化。
本发明的有益效果是：综合了泡沫陶瓷过滤片和直孔陶瓷过滤片的优点，具有过滤效果好、不掉渣等优点，实现了高温合金熔液的净化和紊流。所制备高温合金粉末具有较高的纯净度，粒径在60μm以下的每公斤粉末非金属夹杂物含量达到20颗以下，满足了航空发动机粉末高温合金涡轮盘对高温合金粉末纯净度的技术指标要求。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1所示，该种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置是由泡沫陶瓷过滤片1、直孔陶瓷过滤片2和双半圆陶瓷套盒3组成，双半圆陶瓷套盒3是由两个环形半圆组件对接而成，双半圆陶瓷套盒3的内壁上成型有环形凹槽4，泡沫陶瓷过滤片1和直孔陶瓷过滤片2上、下叠加在一起后夹装在双半圆陶瓷套盒3中间的环形凹槽4内，双半圆陶瓷套盒3的外壁用刚玉涂料固定在浇铸中间包5内腔中，用电加热吹风烘干，双半圆陶瓷套盒3位于内腔高度的中间处；
圆形片状的泡沫陶瓷过滤片1由氧化锆材料制成，厚度为20mm～30mm；
圆形片状的直孔陶瓷过滤片2由氧化铝材料制成，厚度为5mm～15mm；
双半圆陶瓷套盒3由氧化铝材料制成，该氧化铝材料中氧化铝的重量百分比为92％～99％氧化铝。
泡沫陶瓷过滤片1和直孔陶瓷过滤片2的规格为10PPI～15PPI。
采用本发明装置制备镍基高温合金粉末的过程是：
过程一，其步骤如下：
1)该过滤装置采用30mm厚15PPI氧化锆泡沫陶瓷过滤片1、15mm厚15PPI氧化铝直孔过滤片2和99％氧化铝双半圆套盒3组成的组合过滤器；
2)高温合金熔液浇注前将浇铸中间包5与组合过滤器预热至1500℃并保温；
3)高温合金熔液达到1600℃以上，浇注至浇铸中间包5内，通过组合过滤器后，进行雾化制粉。
采用该组合过滤器进行雾化制粉，获得较纯净的镍基高温合金粉末，经水淘洗法分析，粒径在60μm以下的每公斤镍基高温合金粉末中非金属夹杂物含量为10颗。
过程二，其步骤如下：
1)该过滤装置采用25mm厚15PPI氧化锆泡沫陶瓷过滤片1、5mm厚15PPI氧化铝直孔过滤片2和95％氧化铝双半圆套盒3组成的组合过滤器；
2)高温合金熔液浇注前将浇铸中间包5与组合过滤器预热至1200℃并保温；
3)高温合金熔液达到1600℃以上，浇注至浇铸中间包5内，通过组合过滤器后，进行雾化制粉。
采用该组合过滤工艺进行雾化制粉，获得较纯净的镍基高温合金粉末。经水淘洗法分析，粒径在60μm以下的每公斤镍基高温合金粉末中非金属夹杂物含量为15颗。
过程三，其步骤如下：
1)该过滤装置采用20mm厚10PPI氧化锆泡沫陶瓷过滤片1、10mm厚10PPI氧化铝直孔过滤片2和92％氧化铝双半圆套盒3组成的组合过滤器；
2)高温合金熔液浇注前将浇铸中间包5与组合过滤器预热至1300℃并保温；
3)高温合金熔液达到1600℃以上，浇注至浇铸中间包5内，通过组合过滤器后，进行雾化制粉。
采用该组合过滤工艺进行雾化制粉，获得较纯净的镍基高温合金粉末。经水淘洗法分析，粒径在60μm以下的每公斤镍基高温合金粉末中非金属夹杂物含量为20颗。
与现有技术相比，本发明过滤装置设计简单、过滤效果明显，能显著降低高温合金粉末中非金属夹杂物的数量。

Claims (2)

1.一种提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置，其特征在于：该过滤装置是由泡沫陶瓷过滤片(1)、直孔陶瓷过滤片(2)和双半圆陶瓷套盒(3)组成，双半圆陶瓷套盒(3)是由两个环形半圆组件对接而成，双半圆陶瓷套盒(3)的内壁上成型有环形凹槽(4)，泡沫陶瓷过滤片(1)和直孔陶瓷过滤片(2)上、下叠加在一起后夹装在双半圆陶瓷套盒(3)中间的环形凹槽(4)内，双半圆陶瓷套盒(3)的外壁固定在浇铸中间包(5)内腔中，位于内腔高度的中间处；
圆形片状的泡沫陶瓷过滤片(1)由氧化锆材料制成，厚度为20mm～30mm；
圆形片状的直孔陶瓷过滤片(2)由氧化铝材料制成，厚度为5mm～15mm；
双半圆陶瓷套盒(3)由氧化铝材料制成，该氧化铝材料中氧化铝的重量百分比为92％～99％氧化铝。
2.根据权利要求1所述的提高镍基高温合金粉末纯净度的过滤装置，其特征在于：泡沫陶瓷过滤片(1)和直孔陶瓷过滤片(2)的规格为10PPI～15PPI。
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