CN107745093B - 一种精铸模组及利用其制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法 - Google Patents

一种精铸模组及利用其制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用特定组树结构结合籽晶法、引晶法的精密铸造方法，该方法制备的镍基单晶高温合金导向叶片可精控晶体取向、获得高晶粒完整性。首先应用劳尔方法检测镍基单晶高温合金试块的晶体取向，使用线切割机或其它类似方法制备具有要求晶体取向的单晶籽晶块；然后根据本发明中公开的组树方法自上而下将浇口杯、浇注***、铸件蜡模、底板等组合制成蜡模模组；并在该模组外表面涂挂陶瓷耐火浆料，形成陶瓷模壳；经过脱蜡、焙烧、籽晶安装和铸造过程制备出铸件。本发明提供的方法可精确控制晶体取向至5°以内并改善铸件的晶粒完整性，进而提高单晶导叶的性能和铸造合格率。

Description

一种精铸模组及利用其制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶 的铸造方法
技术领域
本发明主要涉及精密铸造领域，具体涉及一种精控晶体取向的镍基单晶高温合金导向叶片(在本发明中简称单晶导叶)精密铸造的方法。
背景技术
随着对航空发动机推重比及工作效率要求的不断提高，航空发动机涡轮前温度也随之不断提高，甚至达到了1550℃以上的高温。普通等轴晶组织高温合金叶片难以服役于此工况条件。单晶高温合金由于具有熔点高、高温强度和抗蠕变性能优良等优点得到了越来越多的应用。但值得注意的是：1.单晶零件具有明显的各向异性，当其<001>取向与服役中受应力方向相平行时，性能最好。因而一般要求铸件受应力方向与其<001>方向的夹角不能大于15°，甚至10°，否则判作报废；2.另外，单晶高温合金中去除了晶界强化元素，因而一旦铸件中存在晶界，晶粒完整性遭到破坏，性能便会大幅度下降。因而，合格的单晶叶片必须具有良好的晶粒完整性和达标的晶体取向。
然而，由于导向叶片几何结构特殊，沿积叠轴方向，自下而上截面尺寸先突然变大，而后突然变小，之后再次突然变大，又变小。根据凝固原理，该类型铸件按照常规方法几乎不可能铸造成为晶粒取向可控的单晶组织。这也极大程度的限制了我国航空发动机的发展。
本发明中提出的单晶高温合金铸造方法可有效的解决这一问题，制备出晶粒完整性和晶体取向均满足要求的铸件。
发明内容
本发明的目的是提供一种可获得具有良好晶粒完整性、精控晶体取向的单晶导叶的铸造方法，本发明提供的方法可有效改善单晶导叶的晶粒完整性和晶体取向，大幅度的提高其服役性能及铸造合格率。
为了实现上述方案，本发明的技术解决方案包含如下步骤：
一种精铸模组，包括有设置于底板上的亚组树结构、浇注***以及浇口杯，所述的浇口杯设置于浇注***上部，所述的亚组树结构包括导向叶片、晶粒生成器两部分组成，所述的导向叶片具有扇形弧段结构，包括有叶身、内弧围带、外弧围带、拉筋凸台(A、B、C、D)；所述的晶粒生成器包括有起晶段，所述起晶段与叶身的下端面相接。
为保证单晶的晶粒完整性，单晶导叶可应按照如图2所示方式铸造，大致形成自下而上铸件截面尺寸逐渐变大的趋势，以防止凝固界面尺寸突增，部分区域过冷度急剧加大，造成新的晶核形成并快速长大，破坏铸件单晶铸件的晶粒完整性，导致报废。如有无法避免的截面尺寸突增或倒挂部位出现，应用引晶条来防治杂晶，所述的引晶条位于导向叶片内弧围带、外弧围带以及拉筋凸台(A、B、C、D)之间形成的空间内。
所述的拉筋凸台(A、B、C、D)呈放射状分布。
一种利用所述的精铸模组制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法，包括有以下步骤：
(2)制备镍基高温合金籽晶
结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合要求的籽晶，其<001>方向应平行于籽晶顶部斜面的法向，对镍基高温合金籽晶表面进行打磨、抛光和清洗；保证籽晶表面无多余粘附物、油污和氧化皮等；
(2)压蜡
将蜡料在温度40-120℃、注射压力0.5-20Mpa条件下注入相应的蜡模模具，获得亚组树结构蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模以及浇注***蜡模；将亚组树结构蜡模、浇口杯蜡模、以及浇注***蜡模、底板蜡模组合，得蜡模模组；
(4)模壳制备
在蜡模模组表面涂挂3-20mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下脱蜡，800-950℃下焙烧1-5个小时后获得单晶定向用精密铸造型壳模壳；
(5)籽晶的放置
将制备好的籽晶置于晶粒生成器10籽晶内腔内并与晶粒生成器模壳型腔内壁保持一定的间隙，并通过籽晶顶部斜面为基准与模壳型腔内壁确定相对位置；其<001>方向应垂直于籽晶顶部斜面,晶面(001)应平行于顶部斜面，所述(001)面为拉筋凸台A、B、C、D四点形成的面，<001>方向即为(001)面的法向方向；再将陶瓷隔热片放置到籽晶下部相应的位置，并通过胶水固定；陶瓷隔热片是确保籽晶能有部分回熔；籽晶回熔长度应控制在30％-65％范围内，籽晶重熔部分高于或低于此范围均有可能导致籽晶取向控制失效，制备出晶体取向不合格的铸件。
(6)铸造
将上述单晶定向用精密铸造模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1400-1600℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注如模壳中，浇注温度选择在1400-1600℃，浇注后静置10-100秒后进行抽拉，抽拉速度设置在1.5-10mm/min。拉晶结束后，随炉冷却2-30分钟后取出，切割掉浇冒***并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
所述的籽晶与晶粒生成器模壳型腔内壁之间的间隙应保证在0.1mm-0.25mm的范围。如果该间隙过大，会导致熔体浸入未重熔籽晶与模壳内壁间隙中，受到激冷而重新形核；此间隙过小，会导致升温过程中金属膨胀量过大，超过陶瓷型壳膨胀量，产生应力甚至导致模壳破裂，造成跑火。
本发明所带来的有益效果是：
1.本发明采用特殊组树方法结合引晶条技术、定向凝固技术等，制备出的单晶导叶晶粒完整性良好，无大角度晶界、杂晶、碎晶、等轴晶等晶粒缺陷存在。
2.本发明采用籽晶法来控制单晶铸件的取向，制备出的单晶导叶晶体取向良好，铸件<001>方向与铸件验收规范要求的积叠轴方向之间的夹角小于5°。
3.采用该方法可有效提高单晶导叶的铸造合格率和质量。
附图说明
图1是本发明单晶导叶精铸模组结构示意图。
图2是本发明单晶导叶晶粒完整性和取向控制***示意图。
图3是本发明中提到<001>晶向和(001)晶面示意图。
图4是本发明中提到籽晶与晶粒生成器模壳间隙设计示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种可精控晶体取向的镍基单晶导叶的精铸模组，包括有设置于底板5上的亚组树结构6、浇注***7以及浇口杯8，所述的浇口杯8设置于浇注***7上部，所述的亚组树结构6包括导向叶片9、晶粒生成器10两部分组成，所述的导向叶片9具有扇形弧段结构，包括有叶身1、内弧围带2、外弧围带3、拉筋凸台4；所述的晶粒生成器10包括有起晶段13，所述起晶段13与叶身1的下端面相接。
还包括有用于防治杂晶的引晶条14，所述的引晶条14位于导向叶片9内弧围带2、外弧围带3以及拉筋凸台4之间形成的空间内。
所述的拉筋凸台4呈放射状分布。
导向叶片一般为如图1所示的扇形弧段结构，拉筋凸台4四点呈放射状分布。
在蜡质模组组合阶段，籽晶11和陶瓷隔热片12均为相同几何形状但放置一定收缩率的蜡质元件组成，在模壳制备完成后，浇注工序进行前，再将籽晶11和陶瓷隔热片12通过相应基准定位于模壳型腔内。
为保证单晶的晶粒完整性，单晶导叶可大致形成自下而上铸件截面尺寸逐渐变大的趋势，以防止凝固界面尺寸突增，部分区域过冷度急剧加大，造成新的晶核形成并快速长大，破坏铸件单晶铸件的晶粒完整性，导致报废。如有无法避免的截面尺寸突增或倒挂部位出现，应用引晶条14来防治杂晶。
一种精铸模组制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法，包括有以下步骤：
(1)制备镍基高温合金籽晶
结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合要求的籽晶11，其<001>方向应平行于籽晶11顶部斜面16的法向，对镍基高温合金籽晶表面进行打磨、抛光和清洗；保证籽晶11表面无多余粘附物、油污和氧化皮等；
(2)压蜡
将蜡料在温度40-120℃、注射压力0.5-20Mpa条件下注入相应的蜡模模具，获得亚组树结构蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模以及浇注***蜡模；将亚组树结构蜡模、浇口杯蜡模、以及浇注***蜡模、底板蜡模组合，得蜡模模组；
(4)模壳制备
在蜡模模组表面涂挂3-20mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下脱蜡，800-950℃下焙烧1-5个小时后获得单晶定向用精密铸造型壳模壳；
(5)籽晶的放置
将制备好的籽晶11置于晶粒生成器10籽晶内腔内并与晶粒生成器10模壳型腔内壁保持一定的间隙15，并通过籽晶顶部斜面16为基准与模壳型腔内壁确定相对位置；其<001>方向应垂直于籽晶顶部斜面16,晶面(001)应平行于顶部斜面16，所述(001)面为拉筋凸台4(A、B、C、D)四点形成的面，<001>方向即为(001)面的法向方向；再将陶瓷隔热片12放置到籽晶11下部相应的位置，并通过胶水固定；陶瓷隔热片12是确保籽晶能有部分回熔；籽晶11回熔长度应控制在30％-65％范围内，籽晶11重熔部分高于或低于此范围均有可能导致籽晶11取向控制失效，制备出晶体取向不合格的铸件；
(6)铸造
将上述单晶定向用精密铸造模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1400-1600℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注如模壳中，浇注温度选择在1400-1600℃，浇注后静置10-100秒后进行抽拉，抽拉速度设置在1.5-10mm/min。拉晶结束后，随炉冷却2-30分钟后取出，切割掉浇冒***并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
所述的籽晶11与晶粒生成器10模壳型腔内壁之间的间隙15应保证在0.1mm-0.25mm的范围。如果该间隙15过大，会导致熔体浸入未重熔籽晶与模壳内壁间隙中，受到激冷而重新形核；此间隙过小，会导致升温过程中金属膨胀量过大，超过陶瓷型壳膨胀量，产生应力甚至导致模壳破裂，造成跑火。

Claims (1)

1.一种利用精铸模组制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法，其特征在于：
所述精铸模组包括有设置于底板上的亚组树结构、浇注***以及浇口杯，所述的浇口杯设置于浇注***上部，所述的亚组树结构包括导向叶片、晶粒生成器两部分组成，所述的导向叶片具有扇形弧段结构，包括有叶身、内弧围带、外弧围带、拉筋凸台；所述的晶粒生成器包括有起晶段，所述起晶段与叶身的下端面相接；
所述精铸模组还包括有用于防治杂晶的引晶条，所述的引晶条位于导向叶片内弧围带、外弧围带以及拉筋凸台之间形成的空间内，所述的拉筋凸台呈放射状分布；
所述铸造方法包括有以下步骤：
(1)制备镍基高温合金籽晶
结合劳厄方法检测单晶高温合金取向，在镍基单晶高温合金块上定向切割出符合要求的籽晶，其<001>方向应平行于籽晶顶部斜面的法向，对镍基高温合金籽晶表面进行打磨、抛光和清洗；
(2)压蜡
将蜡料在温度40-120℃、注射压力0.5-20Mpa条件下注入相应的蜡模模具，获得亚组树结构蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模以及浇注***蜡模；将亚组树结构蜡模、浇口杯蜡模、以及浇注***蜡模、底板蜡模组合，得蜡模模组；
(3)模壳制备
在蜡模模组表面涂挂3-20mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下脱蜡，800-950℃下焙烧1-5个小时后获得单晶定向用精密铸造型壳模壳；
(4)籽晶的放置
将制备好的籽晶置于晶粒生成器10籽晶内腔内并与晶粒生成器模壳型腔内壁保持0.1mm-0.25mm的间隙，并通过籽晶顶部斜面为基准与模壳型腔内壁确定相对位置；其<001>方向应垂直于籽晶顶部斜面,晶面(001)应平行于顶部斜面，所述(001)面为拉筋凸台A、B、C、D四点形成的面，<001>方向即为(001)面的法向方向；再将陶瓷隔热片放置到籽晶下部相应的位置，并通过胶水固定；
(5)铸造
将上述单晶定向用精密铸造模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1400-1600℃，待到温后将母合金料锭重熔浇注入模壳中，浇注温度选择在1400-1600℃，浇注后静置10-100s后进行抽拉，抽拉速度设置在1.5-10mm/min；拉晶结束后，随炉冷却2-30min后取出，切割掉浇冒***并抛光打磨后即制备出所需的单晶导叶铸件毛坯。
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