CN110170618A - 一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及精密铸造和材料制备技术领域，具体为一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法。首先制作蜡模模组，准备浇注***和压制蜡件，组焊蜡型。接着按特定的制壳工艺参数制备型壳。最后，采用Procast数值模拟技术和高温合金数据库进行浇注过程模拟，设计出精密铸造工艺参数范围。并按确定的铸造工艺参数在真空下浇注、冷却、清理和检测。本发明操作简单，容易控制，可以直接应用于生产实际，具有很大的实用性和可控性，有利于提高零件的质量和性能。本发明解决大型轮盘类结构精铸件冶金缺陷容易形成的问题，能够切实有效地解决铸件合格率低和成本增加的问题，具有较高的经济效益和长远的应用前景。

Description

一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法
技术领域：
本发明涉及精密铸造和材料制备技术领域，具体为一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法。
背景技术：
大型复杂轮盘类结构精铸件(如：大尺寸叶轮、涡轮盘等)是高兆瓦工业燃机、舰船发动机上的关键件，应用广泛，需求量大。这类零件所处的工作条件和环境十分恶劣，需要在较高的温度和较大的气动载荷、机械载荷条件下服役，同时还要承受高温氧化和热腐蚀作用。它们的功能是在燃气作用下，高速转动，把燃气的势能和压力转化为机械能，产生巨大的功率。这就对零件提出较高的要求：足够的强韧性、较高的高温寿命和抗腐蚀氧化能力。
大尺寸叶轮、涡轮盘等零件结构比较复杂，内部是厚大的实心坯体，外部是一圈薄壁小尺寸叶片，厚薄不均，总体尺寸大。采用常规铸造方法容易产生冶金缺陷和变形问题，合格率低，成本高，而且达不到质量要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，适用于所有金属材料的铸造过程，特别适用于轮盘类结构件的精密铸造过程，解决这类零件合格率低、成本高问题。
本发明的技术方案是：
一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，包括如下步骤：
(1)制作蜡模模组
蜡模模组由浇注***和蜡件组成，浇注***由中温返回模料组焊制成，放置时间36～120h；蜡件由中温模料压制而成，放置时间1～8h；组合后的蜡模模组放置时间1～8h；
(2)制造专用型壳
先将面层浆体均匀涂覆于蜡模模组上形成面层，后将背层浆体涂覆于面层上，经过干燥和焙烧后，制成壳厚5.5～15.0mm的复合型壳；
(3)浇注铸件
型壳预烧温度在200～900℃范围内，时间1～8h，在温度1500～1600℃条件下浇注成铸件；
(4)型壳清理与检验。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，步骤(2)中，型壳由电熔刚玉砂做面层，其粒度组成和质量份数为：320目50～80份、1000目10～30份和100目5～20份。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，电熔刚玉砂面层数量2～5层，厚度0.5～3mm。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，型壳由电熔石英砂做背层，其粒度组成和质量份数为：60目30～50份、30目10～30份、16目5～20份。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，电熔石英砂背层数量3～6层，厚度1～5mm。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，步骤(3)中，采用Procast数值模拟技术和高温合金数据库进行浇注过程模拟，预测冶金缺陷和相形成等情况，设计精密铸造工艺参数范围。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，浇注工艺参数：温度1500～1600℃，时间≤10s；铸件冷却工艺参数：冷速5～30℃/min，时间≤10s。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，精铸件直径0.5～3m，高度0.2～1m。
所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，该方法适用于所有金属材料的铸造过程，特别适用于轮盘类结构件的精密铸造过程。
本发明的设计思想是：
本发明采用一种先进的精密铸造技术，借助数值模拟、数据库等手段，主要对模组制备工艺、型壳制造技术、浇注过程控制参数进行改进和创新，来提高大尺寸轮体结构件的质量水平，降低生产成本，提高铸件合格率。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明解决大型复杂轮盘类结构精铸件冶金缺陷容易形成的问题，能够切实有效地解决铸件合格率低和成本增加的问题，具有较高的经济效益和长远的应用前景。
2.本发明具有工艺先进、操作简单、容易控制等特点，可以直接应用于生产实际，具有很大的实用性和可控性，有利于提高零件的质量和性能。
3.本发明采用先进精密铸造技术，对模组制备工艺和型壳制造技术进行改进，并借助数值模拟技术，对浇注过程进行优化，来降低大尺寸轮体结构件的冶金缺陷形成几率，提高铸件的合格率。
附图说明：
图1实施例1条件下所制备的高温合金K41轮盘导向器型壳形貌。
图2实施例1条件下所制备的高温合金K41轮盘导向器形貌。
图3实施例2条件下所制备的高温合金MM247整体导向器的形貌。
图4实施例3条件下所制备的高温合金IN937整体导向器的形貌。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，采用Procast数值模拟技术和Thermal-Calc镍基高温合金数据库进行浇注过程模拟，预测冶金缺陷形成情况，确定工艺参数，具体如下：第一步，制作蜡模模组：使用中温返回模料制成浇注***，利用中温模料压制蜡件。第二步，制造专用型壳：使用电熔刚玉砂做面层，其粒度组成和质量份数为：320目50～80份、1000目10～30份和100目5～20份。使用电熔石英砂做背层，其粒度组成和质量份数为：60目30～50份、30目10～30份、16目5～20份。先将面层浆体均匀涂覆于模组上，后将背层浆体涂覆于面层上。经过干燥和焙烧后制成复合型壳。第三步，浇注铸件：型壳预烧温度在200～900℃范围内，时间1h以上。在温度1500～1600℃条件下浇注成铸件。最后，清理型壳，进行目视、荧光、X光检验。
本发明中，Procast数值模拟技术是指：使用ProCAST铸造过程模拟软件(购买国外的正版)，采用非均匀四面体单元进行网格划分，结合有限元的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程进行数值模拟。通过对铸件在凝固过程的流场、温度场及其它们之间的耦合场进行仿真模拟，基于有限元分析方法，能够预测铸造过程中合金液的流动方式，凝固缺陷产生的位置和严重程度。为确定最佳工艺，优化工艺参数，缩短实验周期，降低生产成本提供理论依据。
本发明中，Thermal-Calc镍基高温合金数据库是一种用于热力学计算的软件。软件中的数据库是用CALPHAD技术，结合实验和理论数据制作而成的。使用Thermal-Calc软件的镍基高温合金数据库，基于数据库提供的热力学数据，计算出平衡状态下高温合金各相组成、各相析出温度、相体积分数。应用Scheil-Gulliver模型计算凝固过程中的高温合金各相组成、各相析出温度、相体积分数。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，使用该技术制造高温合金K41轮盘导向器，大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法如下：
第一步，制作蜡模模组：使用中温返回模料制成浇注***，放置36h之后使用。利用中温模料压制蜡件，放置1h后组焊蜡件，组合好的模组放置2h后清洗。第二步，制造专用型壳：使用电熔刚玉砂做面层，粒度组成和质量份数为：320目50份、1000目30份、100目20份，层数2层，厚度0.6mm。使用电熔石英砂做背层，粒度组成60目50份、30目30份、16目20份，数量6层，厚度4.8mm。将面层浆体均匀涂覆于模组上，背层浆体涂覆于面层上，经过干燥和焙烧后制成壳厚12.0mm的复合型壳(图1)。第三步，浇注铸件：型壳在温度900℃预烧时间1h。在温度1500～1600℃条件下浇注，时间6s。浇注后，冷速控制在20～25℃/min，铸件形貌见图2。最后，清理型壳，进行目视、荧光、X光检验。结果表明：该铸件表面质量、内部质量和尺寸都满足技术要求。
实施例2
本实施例中，使用该技术制造高温合金MM247向心轮铸件，大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法如下：
第一步，制作蜡模模组：使用中温返回模料制成浇注***，放置36h之后使用。利用中温模料压制蜡件，放置1h后组焊上蜡件，组合好的模组放置2h后清洗。第二步，制造专用型壳：使用电熔刚玉砂做面层，粒度组成和质量份数为：320目40份、1000目20份、100目16份，层数3层，厚度1.2mm。使用电熔石英砂做背层，粒度组成60目43份、30目20份、16目20份，数量5层，厚度4.1mm。将面层浆体均匀涂覆于模组上，背层浆体涂覆于面层上，经过干燥和焙烧后制成壳厚11.0mm的复合型壳。第三步，浇注铸件：型壳在温度200℃预烧时间3h。在温度1520℃下浇注，时间4s。浇注后，冷速控制在15～20℃/min，铸件形貌见图3。最后，清理型壳，进行目视、荧光、X光检验。结果表明：该铸件表面质量、内部质量和尺寸都满足技术要求。
实施例3
本实施例中，使用该技术制造高温合金IN937整体导向器，大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法如下：
第一步，制作蜡模模组：使用中温返回模料制成浇注***，放置48h之后使用。利用中温模料压制蜡件，放置2h后组焊上蜡件，组合好的模组放置5h后清洗。第二步，制造专用型壳：使用电熔刚玉砂做面层，粒度组成和质量份数为：320目40份、1000目20份、100目16份，层数3层，厚度1.2mm。使用电熔石英砂做背层，粒度组成60目49份、30目20份、16目13份，数量5层，厚度4.1mm。将面层浆体均匀涂覆于模组上，背层浆体涂覆于面层上，经过干燥和焙烧后制成壳厚11.0mm的复合型壳。第三步，浇注铸件：型壳在温度500℃预烧时间3h。在温度1590℃下浇注，时间7s。浇注后，冷速控制在12～15℃/min，铸件形貌见图4。最后，清理型壳，进行目视、荧光、X光检验。结果表明：该铸件表面质量、内部质量和尺寸都满足技术要求。
实施例结果表明，使用本发明大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法能够切实有效地解决大型轮盘类结构精铸件冶金缺陷容易形成的问题，能够切实有效地解决铸件合格率低和成本增加的问题，具有较高的经济效益和长远的应用前景。

Claims (9)

1.一种大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制作蜡模模组
蜡模模组由浇注***和蜡件组成，浇注***由中温返回模料组焊制成，放置时间36～120h；蜡件由中温模料压制而成，放置时间1～8h；组合后的蜡模模组放置时间1～8h；
(2)制造专用型壳
先将面层浆体均匀涂覆于蜡模模组上形成面层，后将背层浆体涂覆于面层上，经过干燥和焙烧后，制成壳厚5.5～15.0mm的复合型壳；
(3)浇注铸件
型壳预烧温度在200～900℃范围内，时间1～8h，在温度1500～1600℃条件下浇注成铸件；
(4)型壳清理与检验。
2.按照权利要求1所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，型壳由电熔刚玉砂做面层，其粒度组成和质量份数为：320目50～80份、1000目10～30份和100目5～20份。
3.按照权利要求2所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，电熔刚玉砂面层数量2～5层，厚度0.5～3mm。
4.按照权利要求1所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，型壳由电熔石英砂做背层，其粒度组成和质量份数为：60目30～50份、30目10～30份、16目5～20份。
5.按照权利要求4所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，电熔石英砂背层数量3～6层，厚度1～5mm。
6.按照权利要求1所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用Procast数值模拟技术和高温合金数据库进行浇注过程模拟，预测冶金缺陷和相形成等情况，设计精密铸造工艺参数范围。
7.按照权利要求6所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，浇注工艺参数：温度1500～1600℃，时间≤10s；铸件冷却工艺参数：冷速5～30℃/min，时间≤10s。
8.按照权利要求1所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，精铸件直径0.5～3m，高度0.2～1m。
9.按照权利要求1至8之一所述的大型复杂轮盘类结构精铸件的制备方法，其特征在于，该方法适用于所有金属材料的铸造过程，特别适用于轮盘类结构件的精密铸造过程。
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