CN107008857A - 可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳及其成型方法。其中，所述陶瓷模壳具有匹配变截面零件设计结构的浇铸型腔，根据铸造过程中钢水在所述浇铸型腔内的凝固特性，所述浇铸型腔内具有对应的热节区域，所述陶瓷模壳外表面对应热节区域处具有内凹型槽，所述内凹型槽的宽度和长度与浇铸型腔内的热节区域相对应。本发明的陶瓷模壳在确保结构强度的同时，使陶瓷模壳的厚度实现有效、可靠地差异化控制，即本发明很好的消除了热节位置的收缩应力，避免热裂缺陷的产生。

Description

可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳及其成型方法

技术领域

本发明涉及精密铸造工艺的熔模技术，具体是一种在精密铸造工艺中，可消除变截面零件的铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，以及该陶瓷模壳的成型方法。

背景技术

无余量熔模精密铸造工艺是高温合金零件（例如航空发动机叶片或工业燃气轮机叶片等）成型的最常用技术，其所成型的高温合金零件具有良好的高温力学性能，在服役条件苛刻的工业设备（例如航空发动机或工业燃气轮机等）中得到了广泛应用。

然而，无余量熔模精密铸造工艺在高温合金零件的成型过程中，经常会使铸件毛坯上出现一些铸造缺陷，这尤其是以设计结构为变截面的零件在精密铸造中最为凸显。

变截面零件在无余量熔模精密铸造工艺中，最常见的铸造缺陷为热裂缺陷。造成这一铸造缺陷的主要原因是：陶瓷模壳内合金凝固时补缩不足以及凝固收缩产生的应力。具体来说，匹配变截面零件设计结构的陶瓷模壳的浇铸型腔内应当具有对应的热节区域，由于浇铸型腔内的热节区域对应的是变截面零件的截面突变部位，从而使陶瓷模壳内的凝固铸件在凝固收缩时，便会受到陶瓷模壳的阻碍而产生热应力，且凝固时容易补缩不足，从而在热节区域处极易产生热裂缺陷；以高温合金叶片举例来说，铸造热裂缺陷最常出现的部位便是叶冠（或缘板）与叶身或者榫根与叶身的连接段。

变截面零件在精密铸造过程中所产生的热裂缺陷，不仅严重影响着其成型质量，而且还会降低变截面零件毛坯的合格率，甚至还会带来安全隐患。因而，热裂缺陷长期以来是变截面零件在精密铸造过程中需要重点解决的技术难题。

有鉴于此，行业内一直在积极探索如何有效、可靠地消除变截面零件在精密铸造过程中的热裂缺陷。目前，行业内关于变截面零件在精密铸造过程中的热裂缺陷的消除，一般的研究重点在于精密铸造的合金成分选择、以及合金熔液的浇注工艺等技术方面，并未考虑陶瓷模壳结构和成型工艺对热裂缺陷的影响研究。

发明内容

本发明的技术目的在于：针对上述变截面零件的特殊性和现有技术的现状及不足，提供一种在保证结构强度的同时，能够对变截面零件的精密铸造陶瓷模壳的厚度实现差异化控制，从而能够可靠、有效地消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，以及该陶瓷模壳的成型方法。

本发明实现其技术目的所采用的技术方案是，一种可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，所述陶瓷模壳具有匹配变截面零件设计结构的浇铸型腔，根据铸造过程中钢水在所述浇铸型腔内的凝固特性，所述浇铸型腔内具有对应的热节区域，所述陶瓷模壳外表面对应热节区域处具有内凹型槽，所述内凹型槽的宽度和长度与浇铸型腔内的热节区域相对应。

作为优选方案，所述陶瓷模壳外表面的内凹型槽的宽度为1～10mm、深度为1～10mm，所述内凹型槽处的陶瓷模壳的壁厚厚度为4～20mm。进一步的，所述陶瓷模壳用于高温合金叶片的铸造成型。

一种上述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳成型方法，包括下列步骤：

步骤1. 根据设计结构的变截面零件，制作蜡模及沾浆淋沙进行陶瓷型壳初品制备；

步骤2. 在陶瓷型壳初品的外表面对应热节区域处，固定与热节区域面积相对应的蜡条；

步骤3. 在带蜡条的陶瓷型壳初品外表面继续沾浆淋沙进行后续制壳，至要求厚度，确保蜡条的外表面在陶瓷型壳的外表面裸露可见；

步骤4. 对步骤3的陶瓷型壳进行脱蜡焙烧，得外表面带有内凹型槽的陶瓷模壳成品。

作为优选方案，步骤1中陶瓷型壳初品的壁厚厚度为4～20mm，步骤2中蜡条的宽度为1～10mm、厚度为1～10mm。

进一步的，所述陶瓷模壳用于高温合金叶片铸造成型。

作为优选方案，步骤2中的陶瓷型壳初品经外表面浮砂去除后进行蜡条固定。进一步的，所述陶瓷型壳初品外表面的浮砂以风干方式去除，风干时间为0.5～2小时。

本发明的有益技术效果是：

1. 本发明的陶瓷模壳在确保结构强度的同时，在热节区域所对应的陶瓷模壳外表面形成了内凹型槽结构，从而使变截面零件精密铸造用的陶瓷模壳的厚度实现有效、可靠地差异化控制，即本发明将相互矛盾的提高陶瓷模壳结构强度和消除收缩热应力进行了有效、可靠地平衡化处理，其既通过陶瓷模壳的层数增加而提高陶瓷模壳的结构强度，避免陶瓷模壳在精密铸造过程中可能出现的漏钢、鼓胀变形等技术问题，又通过对热节区域所对应的陶瓷模壳外表面的内凹型槽设计，而有效、可靠地降低变截面零件在精密铸造过程中的凝固收缩时受到的阻力，有效、可靠地消除热应力，达到消除变截面零件铸造热裂缺陷的技术目的；

2. 本发明的陶瓷模壳上的内凹型槽具体结构， 是针对变截面零件-高温合金叶片的精密铸造而设计，其在高温合金叶片的精密铸造成型过程中，对高温合金叶片的铸造成型具有针对性强、成型可靠、稳定性好、合格率高等特点；

3. 本发明的成型方法针对本发明的陶瓷模壳结构而设计，其能够轻松、容易、方便、高效、精准、可靠、稳定、经济地成型热节区域所对应外表面具有内凹型槽的变截面零件铸造用陶瓷模壳，使该陶瓷模壳的厚度实现了有效、可靠地差异化控制，从而使相互矛盾的提高陶瓷模壳结构强度和消除收缩热应力实现了有效、可靠地平衡化处理，其既通过陶瓷模壳的层数增加而提高陶瓷模壳的结构强度，避免陶瓷模壳在精密铸造过程中可能出现的漏钢、鼓胀变形等技术问题，又通过对热节区域所对应的陶瓷模壳外表面的内凹型槽结构设计，而有效、可靠地降低变截面零件在精密铸造过程中的凝固收缩时受到的阻力，有效、可靠地消除热应力，最终达到消除变截面零件铸造热裂缺陷的技术目的；

4. 本发明的蜡条结构设计，是针对变截面零件-高温合金叶片的精密铸造用陶瓷模壳的内凹型槽成型而设计，其所成型的内凹型槽能够有效地满足高温合金叶片在精密铸造成型过程中消除铸造热裂缺陷的技术要求。

附图说明

图1是本发明陶瓷模壳的一种结构示意图。

图2是本发明成型方法的一种状态示意图（即陶瓷型壳初品上固定蜡条的状态）。

图3是本发明成型方法的另一种状态示意图（即最终成型的陶瓷型壳的状态）。

图中代号含义：1—陶瓷模壳；2—浇铸型腔；3—内凹型槽；4—蜡条。

具体实施方式

本发明涉及精密铸造工艺的熔模技术，即精密铸造工艺用的陶瓷模壳，具体是一种可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，以及该陶瓷模壳的成型方法。下面以多个实施例对本发明的技术内容进行详细说明。其中，实施例1结合附图1至3进行详细、具体的说明，其它实施例虽未单独绘图、但其主体结构可参照实施例1的附图。

实施例1

参见图1所示，本发明为变截面零件-重型燃机透平导向叶片精密铸造用的陶瓷模壳，该陶瓷模壳1具有匹配透平导向叶片设计结构的浇铸型腔2。

上述浇铸型腔2内根据透平导向叶片而具有内缘板部、叶身部和外缘板部，在内、外缘板部与叶身部的连接过渡处分别形成截面突变结构，即内、外缘板部的截面面积大于叶身部的截面面积。在如此结构的浇铸型腔2内浇铸钢水进行精密铸造时，截面突变部位会产生热节效应-即截面突变部位的凝固过程同比缓慢于周围，如此就会存在包括疏松在内的热裂缺陷。也就是说，根据铸造过程中钢水在前述浇铸型腔2内的凝固特性，浇铸型腔2内具有两处对应的热节区域，一处处在内缘板部与叶身部的连接过渡处，另一处处在外缘板部与叶身部的连接过渡处。

有鉴于此，在陶瓷模壳1外表面对应热节区域处设置了两道内凹型槽3，即一道内凹型槽3处在内缘板部与叶身部的连接过渡处外表面，另一道内凹型槽3处在外缘板部与叶身部的连接过渡处外表面。每道内凹型槽3的宽度和长度与浇铸型腔2内的对应热节区域相对应，每道内凹型槽3的宽度约为3mm、深度约为5mm、长度为陶瓷模壳1对应部位的周向长度。前述每道内凹型槽3处的陶瓷模壳1的壁厚厚度约为10mm。

参见图2和图3所示，本发明陶瓷模壳的成型方法，包括下列步骤：

步骤1. 根据设计结构的透平导向叶片，制作对应的蜡模及其它辅助蜡模（包括浇道蜡模、启晶蜡模等）；将所制作的蜡模组成蜡树；

根据设计结构的透平导向叶片在精密铸造成型过程中的热节区域，制作蜡条4，蜡条4的宽度约为3mm、厚度约为5mm、长度匹配陶瓷型壳初品对应部位的周长；蜡条4待用；

在蜡树上沾浆淋沙、进行陶瓷型壳制备，经多层的沾浆淋沙处理，使得透平导向叶片的蜡模上得陶瓷型壳初品，陶瓷型壳初品的壁厚厚度约为10mm；

步骤2. 以风干方式去除陶瓷型壳初品外表面的浮砂，风干时间约为1.5小时，使陶瓷型壳初品外表面的浮砂基本去除干净；

在浮砂去除后的陶瓷型壳初品外表面的对应热节区域处，将上述待用的蜡条4固定在陶瓷型壳初品的外表面对应部位，使蜡条4与陶瓷模壳上的热节区域相对应、且面积亦相对应；

步骤3. 在带蜡条4的陶瓷型壳初品外表面继续沾浆淋沙、进行后续陶瓷型壳的制备，再经多层的沾浆淋沙处理，使得透平导向叶片的蜡模上得要求厚度的陶瓷型壳，该陶瓷型壳的外表面与蜡条4的外表面基本齐平，但需要确保蜡条4的外表面在陶瓷型壳的外表面裸露可见；

步骤4. 对步骤3的陶瓷型壳进行脱蜡、焙烧，得外表面带有内凹型槽3的陶瓷模壳成品。

实施例2

本发明为变截面零件-涡轮叶片精密铸造用的陶瓷模壳，该陶瓷模壳具有匹配涡轮叶片设计结构的浇铸型腔。

上述浇铸型腔内根据涡轮叶片而具有叶冠部、叶身部和榫根部，在叶冠部、榫根部与叶身部的连接过渡处分别形成截面突变结构，即叶冠部、榫根部的截面面积大于叶身部的截面面积。在如此结构的浇铸型腔内浇铸钢水进行精密铸造时，截面突变部位会产生热节效应-即截面突变部位的凝固过程同比缓慢于周围，如此就会存在包括疏松在内的热裂缺陷。也就是说，根据铸造过程中钢水在前述浇铸型腔内的凝固特性，浇铸型腔内具有两处对应的热节区域，一处处在叶冠部与叶身部的连接过渡处，另一处处在榫根部与叶身部的连接过渡处。

有鉴于此，在陶瓷模壳外表面对应热节区域处设置了两道内凹型槽，即一道内凹型槽处在叶冠部与叶身部的连接过渡处外表面，另一道内凹型槽处在榫根部与叶身部的连接过渡处外表面。每道内凹型槽的宽度和长度与浇铸型腔内的对应热节区域相对应，每道内凹型槽的宽度约为6mm、深度约为8mm、长度为陶瓷模壳对应部位的周向长度。前述每道内凹型槽处的陶瓷模壳的壁厚厚度约为15mm。

本发明陶瓷模壳的成型方法，包括下列步骤：

步骤1. 根据设计结构的涡轮叶片，制作对应的蜡模及其它辅助蜡模（包括浇道蜡模、启晶蜡模等）；将所制作的蜡模组成蜡树；

根据设计结构的涡轮叶片在精密铸造成型过程中的热节区域，制作蜡条，蜡条的宽度约为6mm、厚度约为8mm、长度匹配陶瓷型壳初品对应部位的周长；蜡条待用；

在蜡树上沾浆淋沙、进行陶瓷型壳制备，经多层的沾浆淋沙处理，使得涡轮叶片的蜡模上得陶瓷型壳初品，陶瓷型壳初品的壁厚厚度约为15mm；

步骤2. 以风干方式去除陶瓷型壳初品外表面的浮砂，风干时间约为2小时，使陶瓷型壳初品外表面的浮砂基本去除干净；

在浮砂去除后的陶瓷型壳初品外表面的对应热节区域处，将上述待用的蜡条固定在陶瓷型壳初品的外表面对应部位，使蜡条与陶瓷模壳上的热节区域相对应、且面积亦相对应；

步骤3. 在带蜡条的陶瓷型壳初品外表面继续沾浆淋沙、进行后续陶瓷型壳制备，再经多层的沾浆淋沙处理，使得涡轮叶片的蜡模上得要求厚度的陶瓷型壳，该陶瓷型壳的外表面与蜡条的外表面基本齐平，但需要确保蜡条的外表面在陶瓷型壳的外表面裸露可见；

步骤4. 对步骤3的陶瓷型壳进行脱蜡、焙烧，得外表面带有内凹型槽的陶瓷模壳成品。

实施例3

本发明为变截面零件-小型的T型高温合金零件精密铸造用的陶瓷模壳，该陶瓷模壳具有匹配T型高温合金零件设计结构的浇铸型腔。

上述浇铸型腔内根据T型高温合金零件而具有冠部和身部，在冠部与身部的连接过渡处形成截面突变结构，即冠部的截面面积大于身部的截面面积。在如此结构的浇铸型腔内浇铸钢水进行精密铸造时，截面突变部位会产生热节效应-即截面突变部位的凝固过程同比缓慢于周围，如此就会存在包括疏松在内的热裂缺陷。也就是说，根据铸造过程中钢水在前述浇铸型腔内的凝固特性，浇铸型腔内具有一处热节区域，该热节区域处在冠部与身部的连接过渡处。

有鉴于此，在陶瓷模壳外表面对应热节区域处设置了内凹型槽，即内凹型槽处在冠部与身部的连接过渡处外表面。内凹型槽的宽度和长度与浇铸型腔内的对应热节区域相对应，内凹型槽的宽度约为1mm、深度约为2mm、长度为陶瓷模壳对应部位的周向长度。前述内凹型槽处的陶瓷模壳的壁厚厚度约为5mm。

本发明陶瓷模壳的成型方法，包括下列步骤：

步骤1. 根据设计结构的T型高温合金零件，制作对应的蜡模及其它辅助蜡模（包括浇道蜡模、启晶蜡模等）；将所制作的蜡模组成蜡树；

根据设计结构的T型高温合金零件在精密铸造成型过程中的热节区域，制作蜡条，蜡条的宽度约为1mm、厚度约为2mm、长度匹配陶瓷型壳初品对应部位的周长；蜡条待用；

在蜡树上沾浆淋沙、进行陶瓷型壳制备，经多层的沾浆淋沙处理，使得T型高温合金零件的蜡模上得陶瓷型壳初品，陶瓷型壳初品的壁厚厚度约为5mm；

步骤2. 以风干方式去除陶瓷型壳初品外表面的浮砂，风干时间约为0.5小时，使陶瓷型壳初品外表面的浮砂基本去除干净；

在浮砂去除后的陶瓷型壳初品外表面的对应热节区域处，将上述待用的蜡条固定在陶瓷型壳初品的外表面对应部位，使蜡条与陶瓷模壳上的热节区域相对应、且面积亦相对应；

步骤3. 在带蜡条的陶瓷型壳初品外表面继续沾浆淋沙、进行后续陶瓷型壳制备，再经多层的沾浆淋沙处理，使得T型高温合金零件的蜡模上得要求厚度的陶瓷型壳，该陶瓷型壳的外表面与蜡条的外表面基本齐平，但需要确保蜡条的外表面在陶瓷型壳的外表面裸露可见；

步骤4. 对步骤3的陶瓷型壳进行脱蜡、焙烧，得外表面带有内凹型槽的陶瓷模壳成品。

实施例4

本发明为变截面零件-大型的T型高温合金零件精密铸造用的陶瓷模壳，该陶瓷模壳具有匹配T型高温合金零件设计结构的浇铸型腔。

上述浇铸型腔内根据T型高温合金零件而具有冠部和身部，在冠部与身部的连接过渡处形成截面突变结构，即冠部的截面面积大于身部的截面面积。在如此结构的浇铸型腔内浇铸钢水进行精密铸造时，截面突变部位会产生热节效应-即截面突变部位的凝固过程同比缓慢于周围，如此就会存在包括疏松在内的热裂缺陷。也就是说，根据铸造过程中钢水在前述浇铸型腔内的凝固特性，浇铸型腔内具有一处热节区域，该热节区域处在冠部与身部的连接过渡处。

有鉴于此，在陶瓷模壳外表面对应热节区域处设置了内凹型槽，即内凹型槽处在冠部与身部的连接过渡处外表面。内凹型槽的宽度和长度与浇铸型腔内的对应热节区域相对应，内凹型槽的宽度约为10mm、深度约为10mm、长度为陶瓷模壳对应部位的周向长度。前述内凹型槽处的陶瓷模壳的壁厚厚度约为20mm。

本发明陶瓷模壳的成型方法，包括下列步骤：

步骤1. 根据设计结构的T型高温合金零件，制作对应的蜡模及其它辅助蜡模（包括浇道蜡模、启晶蜡模等）；将所制作的蜡模组成蜡树；

根据设计结构的T型高温合金零件在精密铸造成型过程中的热节区域，制作蜡条，蜡条的宽度约为10mm、厚度约为10mm、长度匹配陶瓷型壳初品对应部位的周长；蜡条待用；

在蜡树上沾浆淋沙、进行陶瓷型壳制备，经多层的沾浆淋沙处理，使得T型高温合金零件的蜡模上得陶瓷型壳初品，陶瓷型壳初品的壁厚厚度约为20mm；

步骤2. 以风干方式去除陶瓷型壳初品外表面的浮砂，风干时间约为1小时，使陶瓷型壳初品外表面的浮砂基本去除干净；

在浮砂去除后的陶瓷型壳初品外表面的对应热节区域处，将上述待用的蜡条固定在陶瓷型壳初品的外表面对应部位，使蜡条与陶瓷模壳上的热节区域相对应、且面积亦相对应；

步骤3. 在带蜡条的陶瓷型壳初品外表面继续沾浆淋沙、进行后续陶瓷型壳制备，再经多层的沾浆淋沙处理，使得T型高温合金零件的蜡模上得要求厚度的陶瓷型壳，该陶瓷型壳的外表面与蜡条的外表面基本齐平，但需要确保蜡条的外表面在陶瓷型壳的外表面裸露可见；

步骤4. 对步骤3的陶瓷型壳进行脱蜡、焙烧，得外表面带有内凹型槽的陶瓷模壳成品。

实施例5

本实施例的其它内容与实施例1或2相同，不同之处在于：变截面零件为空心叶片；陶瓷模壳的浇铸型腔内具有陶瓷型芯；蜡模制作时亦具有对应的陶瓷型芯。

以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：本发明依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，所述陶瓷模壳（1）具有匹配变截面零件设计结构的浇铸型腔（2），根据铸造过程中钢水在所述浇铸型腔（2）内的凝固特性，所述浇铸型腔（2）内具有对应的热节区域，其特征在于：所述陶瓷模壳（1）外表面对应热节区域处具有内凹型槽（3），所述内凹型槽（3）的宽度和长度与浇铸型腔（2）内的热节区域相对应。

2.根据权利要求1所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，其特征在于：所述陶瓷模壳（1）外表面的内凹型槽（3）的宽度为1～10mm、深度为1～10mm，所述内凹型槽（3）处的陶瓷模壳（1）的壁厚厚度为4～20mm。

3.根据权利要求1或2所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳，其特征在于：所述陶瓷模壳用于高温合金叶片的铸造成型。

4.一种根据权利要求1所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳成型方法，包括下列步骤：

步骤1. 根据设计结构的变截面零件，制作蜡模及沾浆淋沙进行陶瓷型壳初品制备；

步骤2. 在陶瓷型壳初品的外表面对应热节区域处，固定与热节区域面积相对应的蜡条；

步骤3. 在带蜡条的陶瓷型壳初品外表面继续沾浆淋沙进行后续制壳，至要求厚度，确保蜡条的外表面在陶瓷型壳的外表面裸露可见；

步骤4. 对步骤3的陶瓷型壳进行脱蜡焙烧，得外表面带有内凹型槽的陶瓷模壳成品。

5.根据权利要求4所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳成型方法，其特征在于：步骤1中陶瓷型壳初品的壁厚厚度为4～20mm，步骤2中蜡条的宽度为1～10mm、厚度为1～10mm。

6.根据权利要求4所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳成型方法，其特征在于：所述陶瓷模壳用于高温合金叶片铸造成型。

7.根据权利要求4所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳成型方法，其特征在于：步骤2中的陶瓷型壳初品经外表面浮砂去除后进行蜡条固定。

8.根据权利要求7所述可消除变截面零件铸造热裂缺陷的陶瓷模壳成型方法，其特征在于：所述陶瓷型壳初品外表面的浮砂以风干方式去除，风干时间为0.5～2小时。