CN209110109U - 一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，包括底板，所述底板的顶侧固定安装有支柱，支柱的顶侧固定安装有浇口杯，支柱的一侧设有位于底板上方的亚组树结构，所述亚组树结构内设有单晶动叶，单晶动叶底侧活动安装有铸件蜡模，铸件蜡模的底侧活动安装有选晶器，亚组树结构的底侧固定安装有籽晶模壳，籽晶模壳的顶侧开设有间隙槽，间隙槽内活动安装有籽晶段。本实用新型结构简单，采用特殊组树方法结合定向凝固技术等，制备出的单晶动叶晶粒完整性良好，采用籽晶法同时控制单晶铸件的一次和二次结晶取向，制备出的单晶动叶结晶取向良好，可有效提高单晶动叶的服役性能及批产合格率。

Description

一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备

技术领域

本实用新型涉及精密铸造技术领域，尤其涉及一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备。

背景技术

航空发动机被公认为世界上最难制造的机械装备，又称之为“制造业的皇冠”，涡轮叶片是航空发动机的核心部件之一，它要在高温、高速、高应力的环境下工作，其结构复杂，制造难度大，附加值高，尤其是涡轮叶片中的单晶叶片，被称为是“制造业皇冠上的明珠”，但值得注意的是：1.单晶零件具有明显的各向异性，当其<001>结晶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.单晶零件的各向异性还表现在，<010>和<100>结晶取向沿特定方向时，其疲劳寿命会成倍提高，因而，对单晶叶片<010>和<100>结晶取向的要求已经被越来越多的发动机生产单位提出并推广；3.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结晶取向。

然而，目前国内生产单位的单晶铸件都应用选晶法生产，因一次结晶取向偏离造成的报废率在8％到20％之间，因选晶失败而造成的单晶晶粒完整性破坏而造成的报废率可达到2％-3％，而二次结晶取向更是无法控制，导致国内生产的单晶叶片性能和合格率无法与国际接轨，成为瓶颈，因此需要一种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结晶取向均满足要求的铸件。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，包括底板，所述底板的顶侧固定安装有支柱，支柱的顶侧固定安装有浇口杯，支柱的一侧设有位于底板上方的亚组树结构，所述亚组树结构内设有单晶动叶，单晶动叶底侧活动安装有铸件蜡模，铸件蜡模的底侧活动安装有选晶器，亚组树结构的底侧固定安装有籽晶模壳，籽晶模壳的顶侧开设有间隙槽，间隙槽内活动安装有籽晶段，籽晶段的顶侧延伸至间隙槽外并活动安装在选晶器的底侧上，籽晶段靠近支柱的一侧活动安装有位于间隙槽外的浇注管道，浇注管道的顶侧固定安装在浇口杯靠近亚组树结构的一侧上，浇注管道的上方设有活动安装在浇口杯靠近亚组树结构一侧上的上浇道，上浇道的底侧延伸至亚组树结构内并活动安装在单晶动叶的顶侧上。

优选的，所述单晶动叶上设有安装板，安装板的顶侧固定安装有叶身，单晶动叶的一侧设有延伸段。

优选的，所述单晶动叶底侧固定安装有榫头，榫头的两侧均设有顶针凸台，单晶动叶的两侧均设有封严板。

优选的，所述选晶器的顶侧固定安装有五边形凸起，五边形凸起与铸件蜡模的底侧相适配。

优选的，所述选晶器的底侧固定安装有定位块，定位块的底侧开设有定位槽，定位槽与籽晶段的顶侧相适配。

优选的，所述间隙槽的底侧内壁上活动安装有缓冲片，缓冲片与籽晶段的底侧相接触。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型中，采用特殊组树方法结合定向凝固技术等，制备出的单晶动叶晶粒完整性良好，无大角度晶界、杂晶、碎晶、等轴晶等晶粒缺陷存在；采用籽晶法同时控制单晶铸件的一次和二次结晶取向，制备出的单晶动叶结晶取向良好，铸件方向和方向均符合铸件的验收规范要求小于5°，因结晶取向偏离而造成的报废率降低至3％以内，采用该方法可有效提高单晶动叶的服役性能及批产合格率。

本实用新型结构简单，采用特殊组树方法结合定向凝固技术等，制备出的单晶动叶晶粒完整性良好，采用籽晶法同时控制单晶铸件的一次和二次结晶取向，制备出的单晶动叶结晶取向良好，可有效提高单晶动叶的服役性能及批产合格率。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备的结构示意图；

图2为本实用新型提出的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备选晶器的结构示意图；

图3为本实用新型提出的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备单晶动叶的结构示意图。

图中：1底板、2支柱、3浇口杯、4亚组树结构、5单晶动叶、6铸件蜡模、7选晶器、8籽晶模壳、9籽晶段、10间隙槽、11浇注管道、12上浇道、13定位块、14定位槽、15五边形凸起、16叶身、17安装板、18延伸段、19榫头、20顶针凸台、21封严板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，包括底板1，底板1的顶侧固定安装有支柱2，支柱2的顶侧固定安装有浇口杯3，支柱2的一侧设有位于底板1上方的亚组树结构4，亚组树结构4内设有单晶动叶5，单晶动叶5底侧活动安装有铸件蜡模6，铸件蜡模6的底侧活动安装有选晶器7，亚组树结构4的底侧固定安装有籽晶模壳8，籽晶模壳8的顶侧开设有间隙槽10，间隙槽10内活动安装有籽晶段9，籽晶段9的顶侧延伸至间隙槽10外并活动安装在选晶器7的底侧上，籽晶段9靠近支柱2的一侧活动安装有位于间隙槽10外的浇注管道11，浇注管道11的顶侧固定安装在浇口杯3靠近亚组树结构4的一侧上，浇注管道11的上方设有活动安装在浇口杯3靠近亚组树结构4一侧上的上浇道12，上浇道12的底侧延伸至亚组树结构4内并活动安装在单晶动叶5的顶侧上。制造一套精铸模组，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘1，模壳包括浇口杯3、亚组树结构4、浇注管道11、支柱2和上浇道12，浇口杯3、上浇道12和浇注管道11可根据叶片具体尺寸、重量及几何外形等进行设计。

单晶动叶5上设有安装板17，安装板17的顶侧固定安装有叶身16，单晶动叶5的一侧设有延伸段18，单晶动叶5底侧固定安装有榫头19，榫头19的两侧均设有顶针凸台20，单晶动叶5的两侧均设有封严板21，选晶器7的顶侧固定安装有五边形凸起15，五边形凸起15与铸件蜡模6的底侧相适配，选晶器7的底侧固定安装有定位块13，定位块13的底侧开设有定位槽14，定位槽14与籽晶段9的顶侧相适配，间隙槽10的底侧内壁上活动安装有缓冲片，缓冲片与籽晶段9的底侧相接触，亚组树结构4包括叶片、选晶器7、籽晶段9三部分组成，亚组树结构4的结合通过特定工装辅助实现。在蜡质模组组合阶段，籽晶段9直接直接***到选晶器7定位槽中，用粘接蜡粘接、修补，同时需要在籽晶段9外壁涂挂0.1mm-0.25mm厚浸封蜡，模组进行制壳，脱蜡后将籽晶段9取出进行清理，浇注前再放回籽晶段模壳8型腔内，为保证单晶的晶粒完整性，单晶导向叶片可应按照如图3所示方式铸造，籽晶段9与籽晶模壳8型腔内壁之间的间隙应保证在0.1mm-0.25mm范围，籽晶段9长35-50mm，能确保籽晶有部分回熔。

工作原理：制造一套精铸模组，该精铸模组包括由上而下顺序布置的模壳和底盘1，模壳包括浇口杯3、亚组树结构4、浇注管道11、支柱2和上浇道12，浇口杯3、上浇道12和浇注管道11可根据叶片具体尺寸、重量及几何外形等进行设计。亚组树结构4包括叶片、选晶器7、籽晶段9三部分组成，亚组树结构4的结合通过特定工装辅助实现。在蜡质模组组合阶段，籽晶段9直接直接***到选晶器7定位槽中，用粘接蜡粘接、修补，同时需要在籽晶段9外壁涂挂0.1mm-0.25mm厚浸封蜡，模组进行制壳，脱蜡后将籽晶段9取出进行清理，浇注前再放回籽晶段模壳8型腔内，为保证单晶的晶粒完整性，单晶导向叶片可应按照如图3所示方式铸造，籽晶段9与籽晶模壳8型腔内壁之间的间隙应保证在0.1mm-0.25mm范围，籽晶段9长35-50mm，能确保籽晶有部分回熔，保证叶片的晶粒取向与籽晶段9的晶粒取向保持一致，将蜡料在温度50-90℃、注射压力0.5-10Mpa条件下注入铸件和浇道蜡模模具。获得零件蜡模，浇口杯蜡模、底板蜡模和浇注***蜡模等，将零件与浇道、浇口杯、浇注***、上浇道、选晶器、支柱、底板蜡件及切好的籽晶段等组合，在蜡模模组表面涂挂5-20mm厚的精密铸造模壳8，然后在120-200℃下脱蜡，脱蜡后用耐火材料将浇口杯3与支柱2连接处堵实，防止钢水进入支柱型壳内腔，800-950℃下焙烧1-5个小时后获得单晶定向用精密铸造陶瓷型壳，将籽晶段9以定位斜面18为基准确定位置，通过胶水或其他手段固定，将上述陶瓷模壳放入定向凝固炉中，设置参数至模壳保温温度1450-1600℃，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1450-1600℃，浇注后静置50-150秒后进行抽拉，抽拉速度设置在2.5-10mm/min。拉晶结束后，随炉冷却8-20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。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，包括底板(1)，其特征在于，所述底板(1)的顶侧固定安装有支柱(2)，支柱(2)的顶侧固定安装有浇口杯(3)，支柱(2)的一侧设有位于底板(1)上方的亚组树结构(4)，所述亚组树结构(4)内设有单晶动叶(5)，单晶动叶(5)底侧活动安装有铸件蜡模(6)，铸件蜡模(6)的底侧活动安装有选晶器(7)，亚组树结构(4)的底侧固定安装有籽晶模壳(8)，籽晶模壳(8)的顶侧开设有间隙槽(10)，间隙槽(10)内活动安装有籽晶段(9)，籽晶段(9)的顶侧延伸至间隙槽(10)外并活动安装在选晶器(7)的底侧上，籽晶段(9)靠近支柱(2)的一侧活动安装有位于间隙槽(10)外的浇注管道(11)，浇注管道(11)的顶侧固定安装在浇口杯(3)靠近亚组树结构(4)的一侧上，浇注管道(11)的上方设有活动安装在浇口杯(3)靠近亚组树结构(4)一侧上的上浇道(12)，上浇道(12)的底侧延伸至亚组树结构(4)内并活动安装在单晶动叶(5)的顶侧上。

2.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，其特征在于，所述单晶动叶(5)上设有安装板(17)，安装板(17)的顶侧固定安装有叶身(16)，单晶动叶(5)的一侧设有延伸段(18)。

3.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，其特征在于，所述单晶动叶(5)底侧固定安装有榫头(19)，榫头(19)的两侧均设有顶针凸台(20)，单晶动叶(5)的两侧均设有封严板(21)。

4.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，其特征在于，所述选晶器(7)的顶侧固定安装有五边形凸起(15)，五边形凸起(15)与铸件蜡模(6)的底侧相适配。

5.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，其特征在于，所述选晶器(7)的底侧固定安装有定位块(13)，定位块(13)的底侧开设有定位槽(14)，定位槽(14)与籽晶段(9)的顶侧相适配。

6.根据权利要求1所述的一种可精控三维晶体取向的镍基单晶高温合金铸造设备，其特征在于，所述间隙槽(10)的底侧内壁上活动安装有缓冲片，缓冲片与籽晶段(9)的底侧相接触。