CN113070454A - 非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，属于航空发动机涡轮叶片铸造技术领域。本非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，包括浇口杯的底端连接上圆盘，上圆盘的底端连通补缩冒口的一端，补缩冒口的另一端连接叶片蜡模，籽晶放大器的上端连接二级放大器。有益效果：由于籽晶及引晶辅助浇道的应用，使得叶片缘板及叶身无杂晶，单晶完整性良好，且有效控制了叶片取向的偏离度及分散度，实现单晶导向空心叶片晶体取向偏离在10°以内；浇冒口方案的设计有效解决了缘板冶金缺陷问题，显著提高了成品率，降低了生产成本；型芯自由端的制作，有效避免了空心导向叶片壁厚尺寸的超差。

Description

非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置及方法
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片铸造技术领域，具体涉及非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置及方法。
背景技术
近年来，在我国大力发展国防军工，并给予航空发动机行业极大关注的大背景下，多种型号导向叶片也逐步要求为铸造单晶叶片，且结构复杂，成型困难，工艺要求极高。导向叶片的缘板长悬臂特征，叶片尺寸大，使得蜡件及铸件在收缩过程中容易出现翘曲、变形等情况，单晶完整性难以保证，缘板杂晶，叶身杂晶，再结晶缺陷难以解决，取向控制更加困难；大小缘板厚大，熔注过程中补缩困难，缘板疏松严重，冶金质量更是难以保证，严重影响到叶片的生产效率；导向空心叶片内腔复杂，对型芯尺寸及高温强度要求较高，型芯高温强度不足易使铸件偏芯漏芯，导致壁厚尺寸不合格，铸件合格率低。
由于单晶导向结构尺寸较大，内腔复杂，取向控制难度极大，且制备非择优晶体取向，传统的选晶法工艺只能制备单晶高温合金的[001]择优取向，已无法满足[111]非择优取向单晶导向叶片的制备条件，但是可以通过籽晶法实现单晶高温合金非择优取向[111]的生长,且该型叶片上下缘板厚度为1cm，缘板尺寸大，单晶完整性成型困难，杂晶报废率高。
因此，提出一种非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置及方法以解决现有技术中存在的不足。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，由于籽晶及引晶辅助浇道的应用，使得叶片缘板及叶身无杂晶，单晶完整性良好，且有效控制了叶片取向的偏离度及分散度，实现单晶导向空心叶片晶体取向偏离在10°以内；浇冒口方案的设计有效解决了缘板冶金缺陷问题，显著提高了成品率，降低了生产成本；型芯自由端的制作，有效避免了空心导向叶片壁厚尺寸的超差。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置包括浇口杯、上圆盘、支撑浇道、下圆盘、籽晶、籽晶放大器、二级放大器，所述浇口杯的底端连接所述上圆盘，所述上圆盘的底端连通补缩冒口的一端，所述补缩冒口的另一端连接叶片蜡模，所述籽晶放大器的上端连接所述二级放大器，所述籽晶的一端伸入到籽晶放大器内，另一端垂直连接所述下圆盘，所述二级放大器连接所述叶片蜡模的下端，所述叶片蜡模的下端粘接引晶棍从所述叶片蜡模下缘板四周边角处至所述叶片蜡模上缘板四周边角处，所述叶片蜡模的下缘板表面上设有用于制造型芯自由端的型芯凸台。
有益效果：由于籽晶及引晶辅助浇道的应用，使得叶片缘板及叶身无杂晶，单晶完整性良好，且有效控制了叶片取向的偏离度及分散度，实现单晶导向空心叶片晶体取向偏离在10°以内；浇冒口方案的设计有效解决了缘板冶金缺陷问题，显著提高了成品率，降低了生产成本；型芯自由端的制作，有效避免了空心导向叶片壁厚尺寸的超差及铸件断芯问题。
进一步，所述引晶片远离所述叶片蜡模一端连接有引晶棒。
采用上述进一步方案的有益效果是：防止由于蜡片太薄而造成的型壳破裂问题。
进一步，所述引晶棒的直径为4-6mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：结构简单，使晶粒顺利生长至上缘板位置，避免上缘板边角位置形成杂晶，提高铸件单晶完整性。
进一步，所述籽晶伸入到所述籽晶放大器的长度大于5mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：使籽晶融化充分，避免籽晶生长杂晶，籽晶生长的晶粒延放大器长至叶身。
进一步，所述籽晶的长度大于15mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：满足蜡模组合的要求，且籽晶具备一定的承受压力能力。
进一步，所述叶片蜡模的蜡料为中温蜡，所述籽晶放大器和所述二级放大器为低温蜡。
采用上述进一步方案的有益效果是：便于制造。
进一步，所述浇口杯和所述上圆盘之间设有共用的排气管。
采用上述进一步方案的有益效果是：在浇注时排出模壳内的气体。
一种非择优取向单晶导向空心叶片铸造方法，包括所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，包括：
S1，籽晶的制备：
采用劳埃法预先在单晶试棒上标定出所需晶体取向，再通过籽晶的轴向与单晶体的取向方向一致进行切割，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶；
S2，压制蜡模：
压制上圆盘、下圆盘、浇口杯、补缩冒口以及叶片蜡模；
S3，籽晶与蜡件连接：
籽晶植入籽晶放大器，然后籽晶放大器连接二级放大器；
S4，模组组合：
将二级放大器连接叶片蜡模的下端，在下端连接处粘接引晶棍至叶片蜡模下缘板四周边角处再引至叶片蜡模上缘板四周边角处；然后在叶片蜡模上缘板粘接补缩冒口，最后在叶片蜡模的下缘板表面上设有型芯凸台；
S5，模组模壳的制备：
将硅溶胶、白刚玉粉料按照粉液比4-5:1和矿化剂涂覆在叶片蜡模表面，然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模组模壳；
S6，模壳熔注：
对步骤S5中的模组模壳采用真空定向凝固的方式浇注，静置后，采用分段拉晶方式拉晶，然后冷却模壳后脱壳，最后经过切割浇道、脱芯碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测工序得到单晶导向叶片铸件。
有益效果：采用籽晶法制备出非择优取向单晶导向空心叶片，制造方便，成本低，显著提高了成品率。
进一步，步骤S2中，压注压力为0.25MPa～20Mpa，保压时间为20s～180s，蜡料温度为40℃～80℃。
采用上述进一步方案的有益效果是：保证凝固过程的连续稳定。
进一步，步骤S5中，涂覆的厚度为3mm-10mm；脱蜡的压力为0.3MPa～1Mpa，温度为100℃-200℃；焙烧的温度为800℃～1200℃，时间3h～8h。
采用上述进一步方案的有益效果是：成本低，制造方便，干燥后能达到承受高温合金液的强度。
进一步，步骤S6中，浇注采用1500～1600℃高温合金液，静置的时间为2min～10min，拉晶速度为3mm/min～8mm/min，冷却时间为5-7h。
采用上述进一步方案的有益效果是：尺寸精度高、单晶完整性良好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明方法制备的单晶导向空心叶片晶体取向图；
图3为本发明方法制备的单晶导向空心叶片金相组织图之一；
图4为本发明方法制备的单晶导向空心叶片金相组织图之一；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、浇口杯；2、排气管；3、上圆盘；4、支撑浇道；5、下圆盘；6、籽晶；7、籽晶放大器；8、二级放大器；9、型芯凸台；10、叶片蜡模；11、引晶棍；12、补缩冒口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，包括：浇口杯1、上圆盘3、支撑浇道4、下圆盘5、籽晶6、籽晶放大器7、二级放大器8，所述浇口杯1的底端连接所述上圆盘3，所述上圆盘3的底端连通补缩冒口12的一端，所述补缩冒口12的另一端连接叶片蜡模10，所述籽晶放大器7的上端连接所述二级放大器8，所述籽晶6的一端伸入到籽晶放大器7内，另一端垂直连接所述下圆盘5，所述二级放大器8连接所述叶片蜡模10的下端，所述叶片蜡模10的下端粘接引晶棍11从所述叶片蜡模10下缘板四周边角处至所述叶片蜡模10上缘板四周边角处，所述引晶棍11的直径为4-6mm，所述叶片蜡模10的下缘板表面上设有用于制造型芯自由端的型芯凸台9。
由于籽晶6及引晶辅助浇道的应用，使得叶片缘板及叶身无杂晶，单晶完整性良好，且有效控制了叶片取向的偏离度及分散度，实现单晶导向空心叶片晶体取向偏离在10°以内；浇冒口方案的设计有效解决了缘板冶金缺陷问题，显著提高了成品率，降低了生产成本；型芯自由端的制作，有效避免了空心导向叶片壁厚尺寸的超差。
优选地，本实施例中，所述籽晶6伸入到所述籽晶放大器7的长度大于5mm，满足蜡模组合的要求，且籽晶具备一定的承受压力能力。探入深度：籽晶6探入放大器7内部的长度，应大于5mm。籽晶放大器7长度一般为15～30mm，直径20mm。
优选地，本实施例中，所述叶片蜡模10的蜡料为中温蜡，所述籽晶放大器7和所述二级放大器8为低温蜡。
优选地，本实施例中，所述浇口杯1和所述上圆盘3之间设有共用的排气管2，在浇注时排出模壳内的气体。
一种非择优取向单晶导向空心叶片铸造方法，包括所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，包括：
S1，籽晶的制备：
采用劳埃法预先在单晶试棒上标定出所需晶体取向，再通过籽晶的轴向与单晶体的取向方向一致进行切割，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶；
S2，压制蜡模：
压制上圆盘3、下圆盘5、浇口杯1、补缩冒口12以及叶片蜡模10；
S3，籽晶6与蜡件连接：
籽晶6植入籽晶放大器7，然后籽晶放大器7连接二级放大器8，二级放大器8与籽晶放大器7之间的径缩平台可避免杂晶继续生长，有效提升了单晶导向叶片的单晶完整性合格率；
S4，模组组合：
将二级放大器8连接叶片蜡模10的下端，在下端连接处粘接引晶棍11至叶片蜡模10下缘板四周边角处再引至叶片蜡模10上缘板四周边角处；然后在叶片蜡模10上缘板粘接补缩冒口12，最后在叶片蜡模10的下缘板表面上设有型芯凸台9，该凸台表面的蜡应去除干净，使其作为型芯在壳型中的定位，防止单晶导向叶片在拉晶过程中型芯偏移导致壁厚不合格或铸件漏芯问题，可有效提升铸件合格率；
S5，模组模壳的制备：
将硅溶胶、白刚玉粉料按照粉液比4-5:1和矿化剂涂覆在叶片蜡模10表面，然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模组模壳；
S6，模壳熔注：
对步骤S5中的模组模壳采用真空定向凝固的方式浇注，静置后，采用分段拉晶方式拉晶，然后冷却模壳后脱壳，最后经过切割浇道、脱芯碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测工序得到单晶导向叶片铸件。
有益效果：采用籽晶法制备出非择优取向单晶导向空心叶片，制造方便，成本低，显著提高了成品率。
优选地，本实施例中，步骤S2中，压注压力为0.25MPa～20Mpa，保压时间为20s～180s，蜡料温度为40℃～80℃，保证凝固过程的连续稳定。
优选地，本实施例中，步骤S5中，涂覆的厚度为3mm-10mm；脱蜡的压力为0.3MPa～1Mpa，温度为100℃-200℃；焙烧的温度为800℃～1200℃，时间3h～8h，成本低，制造方便，干燥后能达到承受高温合金液的强度。
优选地，本实施例中，步骤S6中，采用真空定向凝固炉进行浇注。将底面平整、清理干净的壳型安放在结晶器上，四周对齐后，旋转壳型使模壳底部紧贴在结晶器上，合上炉门抽真空，把模壳送入加热器内，按壳型加热至1500℃～1580℃，保温15min～30min。
单晶导向叶片的定向凝固：壳型在(1500～1600)℃高温合金液浇注完后，壳型静置2min～10min后，采取分段拉晶方式拉晶，拉晶速度3mm/min～8mm/min，当模壳的上圆盘上表面移出挡板时，再继续以3mm/min下移2min，然后快速下降到底位。当壳型降到底部后，按操作规程取出铸件壳型，并用保温棉套(保温棉厚度20mm～40mm)罩住模壳。待模壳自然冷却6h后脱壳。经切割浇道、脱芯碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测等工序后获得尺寸合格、单晶完整性良好非择优取向的单晶导向叶片铸件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的***或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，包括：浇口杯(1)、上圆盘(3)、支撑浇道(4)、下圆盘(5)、籽晶(6)、籽晶放大器(7)、二级放大器(8)，所述浇口杯(1)的底端连接所述上圆盘(3)，所述上圆盘(3)的底端连通补缩冒口(12)的一端，所述补缩冒口(12)的另一端连接叶片蜡模(10)，所述籽晶放大器(7)的上端连接所述二级放大器(8)，所述籽晶(6)的一端伸入到籽晶放大器(7)内，另一端垂直连接所述下圆盘(5)，所述二级放大器(8)连接所述叶片蜡模(10)的下端，所述叶片蜡模(10)的下端粘接引晶棍(11)从所述叶片蜡模(10)下缘板四周边角处至所述叶片蜡模(10)上缘板四周边角处，所述叶片蜡模(10)的下缘板表面上设有用于制造型芯自由端的型芯凸台(9)。
2.根据权利要求1所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，所述引晶棍(11)的直径为4-6mm。
3.根据权利要求1所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，所述籽晶(6)伸入到所述籽晶放大器(7)的长度大于5mm。
4.根据权利要求1所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，所述籽晶(6)的长度大于15mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，所述叶片蜡模(10)的蜡料为中温蜡，所述籽晶放大器(7)和所述二级放大器(8)为低温蜡。
6.根据权利要求1-4任一项所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，所述浇口杯(1)和所述上圆盘(3)之间设有共用的排气管(2)。
7.一种非择优取向单晶导向空心叶片铸造方法，包括权利要求1-6任一项所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，包括：
S1，籽晶的制备：
采用劳埃法预先在单晶试棒上标定出所需晶体取向，再通过籽晶的轴向与单晶体的取向方向一致进行切割，然后对其宏观腐蚀和单晶完整性检验得到籽晶；
S2，压制蜡模：
压制上圆盘(3)、下圆盘(5)、浇口杯(1)、补缩冒口(12)以及叶片蜡模(10)；
S3，籽晶(6)与蜡件连接：
籽晶(6)植入籽晶放大器(7)，然后籽晶放大器(7)连接二级放大器(8)；
S4，模组组合：
将二级放大器(8)连接叶片蜡模(10)的下端，在下端连接处粘接引晶棍(11)至叶片蜡模(10)下缘板四周边角处再引至叶片蜡模(10)上缘板四周边角处；然后在叶片蜡模(10)上缘板粘接补缩冒口(12)，最后在叶片蜡模(10)的下缘板表面上设有型芯凸台(9)；
S5，模组模壳的制备：
将硅溶胶、白刚玉粉料按照粉液比4-5:1和矿化剂涂覆在叶片蜡模(10)表面，然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模组模壳；
S6，模壳熔注：
对步骤S5中的模组模壳采用真空定向凝固的方式浇注，静置后，采用分段拉晶方式拉晶，然后冷却模壳后脱壳，最后经过切割浇道、脱芯碱煮、热处理、腐蚀检查单晶完整性、打磨抛修、荧光检测、X射线检测工序得到单晶导向叶片铸件。
8.根据权利要求7所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，步骤S2中，压注压力为0.25MPa～20Mpa，保压时间为20s～180s，蜡料温度为40℃～80℃。
9.根据权利要求7所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，步骤S5中，涂覆的厚度为3mm-10mm；脱蜡的压力为0.3MPa～1Mpa，温度为100℃-200℃；焙烧的温度为800℃～1200℃，时间3h～8h。
10.根据权利要求7所述的非择优取向单晶导向空心叶片铸造装置，其特征在于，步骤S6中，浇注采用1500～1600℃高温合金液，静置的时间为2min～10min，拉晶速度为3mm/min～8mm/min，冷却时间为5-7h。
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