CN106270392A - 一种单晶高温合金工作叶片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叶片制造方法，特别是一种单晶高温合金工作叶片的制造方法，其包括以下具体步骤：步骤一、工作叶片蜡模制备与组合；步骤二、模壳制备；步骤三、确定抽拉速度区间；步骤四、叶片成型。采用本发明的变抽拉速率工艺，在杂晶容易出现的变截面缘板位置，降低抽拉速率，可有效减少缘板杂晶形成。同时，采用变抽拉速率工艺，在保证单晶叶片单晶完整性的情况下，减少单晶叶片熔铸时间，控制叶片制备成本。
Description
技术领域：本发明属于Ni基单晶高温合金领域，具体为一种单晶高温合金叶片的制造方法。
背景技术：纵观先进航空发动机近几十年来的发展历程，发展具有复杂气冷通道的单晶涡轮叶片已经成为继续提升先进航空发动机关键热端部件整体性能的有效手段和必然趋势。但是，随着新型含Re单晶高温合金的涌现以及先进涡轮叶片尺寸的大型化和结构的复杂化，单晶高温合金叶片的制备成本大幅度提高，因而需要优化定向凝固工艺，减少杂晶等铸造缺陷，严格地控制单晶的完整性，提高单晶叶片成品率，达到控制成本的目的，实现单晶叶片的工业化应用。具体来说，新型单晶高温合金中添加了大量的难熔元素和稀贵金属元素，造成了单晶高温合金铸造过程中容易生成杂晶等缺陷；此外，先进单晶涡轮叶片外形复杂，内部为空心气冷结构，截面形状多变，进一步诱发单晶制备过程中缺陷形成倾向增加。而单晶高温合金中严格限制了晶界强化元素C、B、Hf的使用，使晶界这一破坏单晶完整性的铸造缺陷更容易成为单晶铸件高温服役过程中的薄弱结构，降低叶片的使用寿命，导致叶片提前报废，大幅度增加了叶片的制备成本。因此，优化定向凝固工艺，减少杂晶等铸造缺陷，严格地控制单晶的完整性，提高单晶叶片的成品率，降低叶片研制成本，正是实现具有复杂结构的先进单晶涡轮叶片批量生产的核心内容和关键技术。
发明内容：本发明的目的是提供一种单晶高温合金铸件的生长工艺，主要适用于解决单晶高温合金定向凝固过程中由于几何结构变化引起的杂晶问题。
本发明的技术方案是：
随着抽拉速率的提高，一种单晶高温合金铸件变截面缘板位置逐渐出现杂晶。但是，当抽拉速率过低时，导致单晶叶片浇注凝固周期增加，严重影响叶片制备效率，使单晶叶片生产成本提高。
因此，采用变抽拉速率的工艺，在杂晶容易出现的叶片变截面缘板位置，降低抽拉速率，减小杂晶形成倾向。
一种单晶高温合金工作叶片的制造方法，其包括以下具体步骤：
步骤一、工作叶片蜡模制备与组合
以蜡为原材料用模具压制叶片蜡件以及浇注***，再将所述叶片蜡件与浇注***进行组合形成叶片蜡模组；
步骤二、模壳制备
以模壳制备材料对上述的叶片蜡模组进行包裹形成模壳，模壳共有7层，其中第1层为70目，第2层为36目，3-7层为24目；将包裹后的模壳置于热炉中进行脱蜡处理；
步骤三、确定抽拉速度区间
采用铸造模拟仿真软件对叶片晶粒组织分布情况进行模拟计算分析，在计算中采用的抽拉速度分别为1、2、3、4、6、9mm/min，并上述的不同的抽拉速度分别输出叶片晶粒组织分布情况的结果，当叶片晶粒组织分布情况结果显示为单晶时，该结果对应的抽拉速度作为待选取抽拉速度，且将待选取抽拉速度中速度最大值作为上限，速度最小值作为下限，将上、下限之间作为抽拉速度的调整区间；
步骤四、叶片成型
对模壳进行加热和浇注，当浇注完成后，以上限速度作为起始抽拉速度进行工作叶片冷却，当冷却到接近叶片缘板部位时降低抽拉速度，当叶片缘板部位冷却完成后，将抽拉速度提升至上限速度，至完成单晶叶片成型。
本发明的有益效果是：
采用变抽拉速率工艺，在杂晶容易出现的变截面缘板位置，降低抽拉速率，可有效减少缘板杂晶形成。同时，采用变抽拉速率工艺，在保证单晶叶片单晶完整性的情况下，减少单晶叶片熔铸时间，控制叶片制备成本。
从工作叶片结构可以看出，叶身与缘板属于变截面结构，在提高工作叶片生产效率的同时，必须确保变截面部位。叶片晶粒组织分布情况将其中无杂晶对计算结果进行分析，结果显示，在1、2mm/min的低抽拉速率下，选晶器3选出的晶粒可以通过过渡段2长入单晶叶片1，且无杂晶形成。当抽拉速率增加到4mm/min时，在缘板边角处开始形成杂晶。随着抽拉速率的继续增加，杂晶的数量和尺寸也不断增加，选出的晶粒无法长入缘板。
附图说明：
图1是单个叶片模组结构示意图；
图2是叶片模组整体结构示意图；
1-单晶叶片、2-过渡段、3-选晶器、4-浇注***。
具体实施方式
为了研究缘板中晶粒生长行为和杂晶形成的过程，采用具有典型变截面缘板的单晶高压涡轮工作叶片为研究对象，叶片组合方案三维模型见图1。模组主要包括：单晶叶片1、过渡段2、选晶器3、浇注***4，单晶叶片1与过渡段2圆滑过渡，过渡段2底部与螺旋选晶器3连接，模组采用底注式浇注，金属液由横浇道4进入选晶器3起始端，自下向上分别进入选晶器3、过渡段2及单晶叶片1。
一种单晶高温合金工作叶片的制造方法，其包括以下具体步骤：
步骤一、工作叶片蜡模制备与组合
以蜡为原材料用模具压制叶片蜡件以及浇注***，再将所述叶片蜡件与浇注***进行组合形成叶片蜡模组；
步骤二、模壳制备
以模壳制备材料对上述的叶片蜡模组进行包裹形成模壳，模壳共有7层，模壳制备材料包括硅溶胶和EC95粉，各层所用的EC95粉的粒度不同，其中第1层为70目，第2层为36目，3-7层为24目；将包裹后的模壳置于热炉中进行脱蜡处理；
步骤三、采用铸造模拟仿真软件(例如，ProCAST)对叶片晶粒组织分布情况进行模拟计算分析，在计算中采用的抽拉速度分别为1、2、3、4、6、9mm/min，并上述的不同的抽拉速度分别输出叶片晶粒组织分布情况的结果，当叶片晶粒组织分布情况结果显示为单晶时，该结果对应的抽拉速度作为待选取抽拉速度，且将待选取抽拉速度中速度最大值作为上限，速度最小值作为下限，将上、下限之间作为抽拉速度的调整区间；
步骤四、叶片成型
对模壳进行加热和浇注，当浇注完成后，以上限速度作为起始抽拉速度进行工作叶片冷却，当冷却到接近叶片缘板部位时降低抽拉速度，当叶片缘板部位冷却完成后，将抽拉速度提升至上限速度，至完成单晶叶片成型。
Claims (3)
1.一种单晶高温合金工作叶片的制造方法，其特征在于包括以下具体步骤：
步骤一、工作叶片蜡模制备与组合
以蜡为原材料用模具压制叶片蜡件以及浇注***，再将所述叶片蜡件与浇注***进行组合形成叶片蜡模组；
步骤二、模壳制备
以模壳制备材料对上述的叶片蜡模组进行包裹形成模壳，模壳共有7层，其中第1层为70目，第2层为36目，3-7层为24目；将包裹后的模壳置于热炉中进行脱蜡处理；
步骤三、采用铸造模拟仿真软件(例如，ProCAST)对叶片晶粒组织分布情况进行模拟计算分析，在计算中采用的抽拉速度分别为1、2、3、4、6、9mm/min，以上述的不同的抽拉速度分别输出叶片晶粒组织分布情况结果，当叶片晶粒组织分布情况结果显示为单晶时，该结果对应的抽拉速度作为待选取抽拉速度，且将待选取抽拉速度中速度最大值作为上限，速度最小值作为下限，将上、下限之间作为抽拉速度的调整区间；
步骤四、叶片成型
对模壳进行加热和浇注，当浇注完成后，以上限速度作为起始抽拉速度进行工作叶片冷却，当冷却到接近叶片缘板部位时降低抽拉速度，当叶片缘板部位冷却完成后，将抽拉速度提升至上限速度，至完成单晶合金工作叶片成型。
2.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金工作叶片的制造方法，其特征在于：所述的铸造模拟仿真软件采用ProCAST。
3.根据权利要求1所述的一种单晶高温合金工作叶片的制造方法，其特征在于：模壳制备材料包括硅溶胶和EC95粉，且各层所用的EC95粉的粒度不同。
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