CN1323784C - 整体涡轮的定向结晶方法 - Google Patents

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Abstract

整体涡轮的定向结晶方法，涉及铸造技术，具体地说是一种整体涡轮的铸造方法。按照本发明所提供的设计方案，整体涡轮定向结晶方法为：a、包壳：在涡轮模壳大端平面包上1～10mm的保温材料；b、装箱填砂：将涡轮模壳装入砂箱，并用石英砂填敷，砂箱内底面和砂箱顶面用隔热板；c、焙烧：在做定向结晶时需要提高焙烧温度，焙烧温度为850～1300℃；d、熔炼：镍基合金在等轴真空铸造感应熔炼炉熔炼，在1450℃～1700℃的温度时浇注；5、冷却：浇注后，在真空状态下放置2～30分钟，采用上述一整套工艺方法浇注涡轮，可使涡轮中心部位缓慢冷却，从涡轮心部到外缘形成温度梯度，在冷却过程中从外缘向中心顺序凝固，在涡轮叶片的关键区域形成辐射状的定向柱状晶。

Description

整体涡轮的定向结晶方法
技术领域
本发明涉及铸造技术，具体地说是一种整体涡轮的铸造方法。
技术背景
涡轮是当代柴油机增压技术中必不可少的关键零件，高性能增压器其涡轮在650℃-700℃的高温环境下高速旋转，转速达到150000-170000转/分，甚至超过200000转/分，0.5-1.5毫米的叶片要经受持久的高温气流冲击和高温拉伸。因此涡轮叶片必须具备足够的高温强度，除了采用高性能合金材料外，在涡轮金相组织上实现定向结晶是提高涡轮叶片高温强度的重要措施。国内在整体涡轮的定向结晶上还是空白，一般采用裸壳或者不包壳直接焙烧，在1400～1450℃的浇注温度下浇注，浇注后直接在大气中空冷，造成关键区晶粒细碎，涡轮在高温高速长时间运行时飞裂概率大。具体晶粒情况见图4所示，从图中可见，叶片上的晶粒细碎，叶片的晶界的平均数A＞1，达不到要求。
发明内容
本发明的目的在于寻求一种整体涡轮的定向结晶方法，采用一整套工艺方法浇注涡轮，可使涡轮中心部位缓慢冷却，从涡轮心部到外缘形成温度梯度，在冷却过程中从外缘向中心顺序凝固，在涡轮叶片的关键区域形成辐射状的定向柱状晶。
按照本发明所提供的设计方案，整体涡轮定向结晶方法为：a、包壳：在涡轮模壳大端平面包上1～10mm的保温材料；b、装箱填砂：将涡轮模壳装入砂箱，并用石英砂填敷，砂箱内底面和砂箱顶面用隔热板；c、焙烧：在做定向结晶时需要提高焙烧温度，焙烧温度为850～1300℃；d、熔炼：镍基合金在等轴真空铸造感应熔炼炉熔炼，在1450℃～1700℃的温度时浇注；5、冷却：浇注后，在真空状态下放置2～30分钟，采用上述一整套工艺方法浇注涡轮，可使涡轮中心部位缓慢冷却，从涡轮心部到外缘形成温度梯度，在冷却过程中从外缘向中心顺序凝固，在涡轮叶片的关键区域形成辐射状的定向柱状晶。
采用本发明后，涡轮叶片的晶粒达到了下述要求：对位于每一叶片侧翼表面区域(每一叶片表面吸气侧)的晶粒结构进行统计，每个晶界计数为1，该区所有叶片的晶界的平均数A小于等于1，并沿叶片径向呈辐射形定向柱状晶。
由于晶界对铸件肌体有割裂作用，对在高温环境高速旋转的涡轮危害很大，会大幅度降低涡轮的高温抗蠕变性能。本技术制造的定向结晶涡轮由于减少了危害性最大的叶片根部晶界数量，提高了涡轮的高温抗蠕变性能，加强了涡轮工作的可靠性，为生产高性能的涡轮增压器提供了关键零部件。本技术只需用国产的制壳、焙烧、熔炼等设备就可以大批量生产定向结晶涡轮。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为包壳示意图。
图3为装箱示意图。
图4为利用现有技术生产涡轮时的晶粒状态图。
图5为利用本发明生产涡轮后的晶粒状态图。
具体实施方法
1、包壳：为了严格控制合金凝固过程热流的方向，使合金液体始终沿着预期的方向凝固，我们在涡轮大端模壳2的平面上包上1～10mm的保温材料3，具体如2图所示；其中的1为浇注***。
2、装箱填砂：为使合金凝固界面能形成一个有效的温度梯度，保证叶片处金属晶粒沿着与热流相反的方向向液相生长，获得定向柱状晶，在模壳外面用石英砂5填敷，上下面用隔热板4。具体方式如3图所示；
3、焙烧：为了烧失挥发物及水分，提高模壳强度，减少金属液浇注时的温差，必须对模壳进行焙烧，在做定向结晶时需要提高焙烧温度以有利于形成温度梯度，采用850～1300℃的焙烧温度，设备为箱式电阻炉。
4、熔炼：涡轮材质为镍基合金，采用等轴真空铸造感应熔炼炉熔炼。在熔炼时为了达到有利的温度梯度，必须提高浇注温度，采用1450℃～1700℃的浇注温度。
5、冷却：浇注后在真空状态下放置2～30分钟，使整个金属液缓慢散热，金属液相界面有序的推进形成定向晶粒。
按照上述条件生产出来的涡轮晶粒情况如图5所示：叶片的晶界的平均数A＜1，而且在叶片的关键区域已形成了定向柱状晶。所以整体涡轮达到了定向结晶的要求。从图4中可以看出，叶片上白色的柱状晶是杂乱无章的，而图5中的柱状晶则是定向的，呈辐射状分布的。

Claims (1)

1、整体涡轮的定向结晶方法：a、包壳：在涡轮模壳大端平面包上1～10mm的保温材料(3)；b、装箱填砂：将涡轮模壳装入砂箱，并用石英砂(5)填敷，砂箱内底面和/或砂箱顶面设置隔热板(4)；c、焙烧：在做定向结晶时需要提高焙烧温度，焙烧温度为850～1300℃；d、熔炼：镍基合金在等轴真空铸造感应熔炼炉内熔炼，在1450℃～1700℃的温度时浇注；5、冷却：浇注后，在真空状态下放置2～30分钟，使涡轮中心部位缓慢冷却，从涡轮心部到外缘形成温度梯度，在冷却过程中从外缘向中心顺序凝固，在涡轮叶片上形成辐射状的定向柱状晶。
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航空铸造涡轮叶片合金工艺发展的回顾与展望 陈荣章，航空制造技术，第2卷 2002 *

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Assignor: Wuxi Power Engineering Co., Ltd.

Contract fulfillment period: 2007.7.26 to 2015.3.31 contract change

Contract record no.: 2008320000160

Denomination of invention: Integral turbine orientated crystallization method

Granted publication date: 20070704

License type: Exclusive license

Record date: 2008.9.22

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

Free format text: EXCLUSIVE LICENCE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2007.7.26 TO 2015.3.31

Name of requester: NONE WUXI CITY NEWMAN INDUSTRIAL GAS PURIFICATION

Effective date: 20080922