CN113089078B - 籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法 - Google Patents
籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，属于高温合金精密铸造技术领域。所述方法包括以下步骤，包括S1，籽晶的制备：检测单晶试棒的晶体取向，用线切割机在单晶试棒上切取Z轴平行于<001>取向的籽晶，要求籽晶<001>方向偏离Z轴方向的角度小于2°，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；S3，蜡模组合；S4，模壳的制备；S5，熔炼浇注得到双联单晶叶片铸件。有益效果：可有效控制空心大尺寸双联单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向偏离、疏松缺陷，单晶完整性合格率达85％以上，晶体取向偏离控制在5°以内，疏松报废率在5％以内，显著提高叶片的合格率，可应用于工程化生产。
Description
技术领域
本发明属于高温合金精密铸造技术领域，具体涉及籽晶法制备空心双联整铸单晶导向叶片的铸造方法。
背景技术
随着对发动机性能以及推重比要求的不断提高，发动机的涡轮前进口温度也越来越高，甚至超过了1600℃，这对涡轮叶片的承温能力提出越来越高的要求，因此，在进行新型发动机涡轮导向叶片设计时，考虑到导向叶片由高温引起的热变形以及刚度要求，通常将其设计为双联结构。目前，我国单晶导向叶片主要采用单联铸造、组合焊接的方法制造，但组焊叶片因存在焊缝强度不足、焊缝再结晶等问题，影响了叶片的结构强度和发动机性能的提升，因此，对双联整铸单晶导向叶片精密铸造技术的需求日趋强烈。
然而，由于双联整铸单晶导向叶片结构复杂，整体尺寸大，叶身与缘板转接处截面尺寸突变严重，给叶片的单晶完整性控制、晶体取向控制、疏松缺陷控制带来巨大挑战，叶片铸造技术难度大，合格率极低，生产成本高，制约了该技术的工程化应用。空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片精密铸造技术亟待突破。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供籽晶法制备空心双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，可有效控制空心大尺寸双联单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向偏离、疏松缺陷，单晶完整性合格率达85％以上，晶体取向偏离控制在5°以内，疏松报废率在5％以内，显著提高叶片的使用性能和铸件合格率。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：本籽晶法制备空心双联整铸单晶导向叶片的铸造方法包括
S1，籽晶的制备：
检测单晶试棒的晶体取向，用线切割机在单晶试棒上切取Z轴平行于<001>取向的籽晶，要求籽晶<001>方向偏离Z轴方向的角度小于2°，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：
压制浇口杯、上圆盘、中柱管、底板、第一内冒口、第二内冒口、叶片蜡模、引晶器蜡模以及籽晶器蜡模，所述叶片蜡模包括叶身、外缘板和内缘板；
S3，蜡模组合：
将叶片蜡模、引晶器蜡模和籽晶器蜡模组合成模组主体，然后将浇口杯、上圆盘、中柱管、底板自上而下依次连接形成模组框架，在将模组主体设置在底板上，将叶身上的外缘板和内缘板分别通过第一冒口和第二冒口与上圆盘连接，引晶器蜡模包括引晶杆a、引晶杆b、引晶杆c和引晶杆d，引晶杆a和引晶杆b的夹角为β，β角为40-100°，引晶杆a和引晶杆b分别连接外缘板和内缘板的下部起始端，引晶杆c和引晶杆d设置在引晶杆a和引晶杆b之间，引晶杆c和引晶杆d分别通过第一晶粒放大器e、第二晶粒放大器f连接叶身下部的进气边。第一晶粒放大器e和第二晶粒放大器f的角度为γ,γ角为30-90°；
S4，模壳的制备：
涂料采用5-7层壳型，料浆为白刚玉粉和硅溶胶，撒砂材料为刚玉砂，第一层、第二层砂料粒度为60-100目，第三层为40-80目，第四层至第六层为20-40目，最后一层为固沙层，涂料封浆。然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模组模壳；
S5，熔炼浇注：
熔炼浇注设备为真空定向凝固炉，将熔炼的高温合金液浇注至模壳中，静置后，壳型以一定的拉晶速度向下移出加热器，在定向热流的作用下，籽晶中的枝晶外延生长，得到单晶取向与籽晶取向一致的双联导向叶片，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射线检测工序得到双联单晶叶片铸件。
有益效果：可有效控制空心大尺寸双联单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向偏离、疏松缺陷，单晶完整性合格率达85％以上，晶体取向偏离控制在5°以内，疏松报废率在5％以内，显著提高叶片的使用性能和铸件合格率。
进一步，步骤S1中，所述宏观腐蚀为化学腐蚀，腐蚀液由40％三氯化铁溶液和40％浓盐酸混合而成，腐蚀时间为8-10min；腐蚀后将籽晶放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡，浸泡时间为2-4min，再进行超声波清洗，超声波频率为15-30Hz，水温40-60℃，清洗时间3-6min，最后烘干。
采用上述进一步方案的有益效果是：检测原始籽晶的单晶完整性，避免后续制备的叶片因籽晶杂晶造成报废。
进一步，步骤S2中，所述压注压力为3-30bar，保压时间为5-100s，蜡料温度为50-70℃。
采用上述进一步方案的有益效果是：蜡模表面质量好、尺寸稳定。
进一步，步骤S3中，所述叶片蜡模、所述引晶器蜡模和所述籽晶器蜡模通过石蜡连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：操作方便，连接稳固。
进一步，步骤S3中，所述引晶杆a、所述引晶杆b、所述引晶杆c和所述引晶杆d的直径均为3-10mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：结构简单，使晶粒分支引入叶片的外缘板、内缘板和两叶身上，避免形成杂晶，提高铸件单晶完整性。
进一步，步骤S4中，涂覆的厚度为3-10mm；脱蜡的压力为0.3-1Mpa，温度为100-200℃；焙烧的温度为600-950℃，时间2-10h。
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S5中，浇注采用1500-1540℃高温合金液，静置的时间为2-10min，拉晶速度为3-8mm/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是本发明双联整铸单晶导向叶片用<001>取向高温合金籽晶示意图；
图2是本发明双联整铸单晶导向叶片蜡模组合夹具示意图；
图3是图2中正视图；
图4是籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片蜡模模组示意图；
图5是图4中I的放大图；
图6是本发明制备的空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片精铸件示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、叶片蜡模；2、引晶器蜡模；3、籽晶器蜡模；4、浇口杯；5、上圆盘；6、中柱管；7、底板；8、第一冒口；9、第二冒口；10、叶身；11、外缘板；12、内缘板；13、顶出机构。
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
本实施例提供籽晶法制备空心双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，包括：
S1，籽晶的制备：
选用高温合金单晶试棒为原材料，使用劳厄X射线晶体取向测定仪检测单晶试棒的晶体取向，用线切割机在单晶试棒上切取Z轴平行于<001>取向的籽晶，如图1所示。测量籽晶<001>方向偏离Z轴方向的角度为0.5°，符合要求，对籽晶表面进行腐蚀、清洗，去除线切割加工影响区和表面多余粘附物，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：
采用专用模具，在高压压注机上压制浇口杯4、上圆盘5、中柱管6、底板7、第一内冒口8、第二内冒口9、叶片蜡模1、引晶器蜡模2以及籽晶器蜡模3，所述叶片蜡模1包括叶身10、外缘板11和内缘板12，所述叶片蜡模压注压力为10bar，保压时间为50s，蜡料温度为60℃；
S3，蜡模组合：
如图2所示，采用专用组合夹具将叶片蜡模1、引晶器蜡模2和籽晶器蜡模3组合成模组主体；
如图4所示，然后将浇口杯4、上圆盘5、中柱管6、底板7自上而下依次连接形成模组框架，在将模组主体设置在底板7上，保证籽晶的轴向方向垂直于底板7，将叶片的外缘板11和内缘板12最上端分别通过第一冒口8和第二冒口9与上圆盘5连接，叶身10的顶部为排气边，底部为进气边，排气边设置厚2mm、宽8mm的蜡纸，防止叶身疏松，完成蜡模组合。
具体的双联单晶叶片蜡模1在模组中的摆放方式为：进气边朝下，排气边朝上；叶盆朝外，背对中柱管6；外缘板11和内缘板12沿对角线方向竖直摆放，该叶片每模组叶片数量为2件，叶片沿底板圆周均匀分布。
引晶杆a和引晶杆b的直径均为8mm，引晶杆a和引晶杆b的夹角为β为90°，第一晶粒放大器e、第二晶粒放大器f的厚度为2mm，角度β为60°。
所述专用蜡模组合夹具的使用方法，如图2所示，将双联单晶叶片蜡模1、引晶器蜡模2、籽晶器蜡模3固定在组合夹具基座的随形槽内，此时，安装板的对角线和籽晶器的中轴线相互平行，且与基座上表面平行；用石蜡将双联单晶叶片蜡模1、引晶器蜡模2、籽晶器蜡模3连接在一起，形成蜡模主体；待石蜡冷却后，利用顶出机构13，将蜡模主体取出。
针对结构复杂的导向叶片，客户要求控制沿单晶生长方向(〈001〉方向)的取向，采用籽晶制备工艺代替传统的选晶法，同时借助专用蜡模组合工装，可有效控制叶片沿单晶生长方向取向的偏离度和分散度。
S4，模壳的制备：
涂料采用6层壳型，料浆为320目白刚玉粉和硅溶胶，粉液比为(2.5-4.5):1，撒砂材料为刚玉砂，第一层、第二层砂料粒度为80目，第三层为60目，第四层、第五层为20目，第6层为固沙层，涂料封浆。然后在180℃下脱蜡，在800℃下焙烧6个小时获得双联整铸单晶导向叶片精铸壳型；
S5，熔炼浇注：
熔炼浇注设备为真空定向凝固炉，上加热器温度1500℃，下加热器温度1550℃，壳型保温时间10min，浇注温度1530℃，静置3min后，采用5mm/min的拉晶速度实现叶片的定向凝固，形成单晶叶片，待金属模组冷却后，用锤子敲击浇道部位脱去模组上的壳型，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射线检测工序得到双联单晶叶片铸件。
有益效果：可有效控制空心大尺寸双联单晶导向叶片的单晶完整性、晶体取向偏离、疏松缺陷，单晶完整性合格率达85％以上，晶体取向偏离控制在5°以内，疏松报废率在5％以内，显著提高叶片的使用性能和铸件合格率。
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系统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 (7)
1.一种籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，包括：
S1，籽晶的制备：
检测单晶试棒的晶体取向，在单晶试棒上切取Z轴平行于<001>取向的籽晶，要求籽晶<001>方向偏离Z轴方向的角度小于2°，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：
压制浇口杯（4）、上圆盘（5）、中柱管（6）、底板（7）、第一冒口（8）、第二冒口（9）、叶片蜡模（1）、引晶器蜡模（2）以及籽晶器蜡模（3），所述叶片蜡模（1）包括叶身（10）、外缘板（11）和内缘板（12）；
S3，蜡模组合：
将叶片蜡模（1）、引晶器蜡模（2）和籽晶器蜡模（3）组合成模组主体，然后将浇口杯（4）、上圆盘（5）、中柱管（6）、底板（7）自上而下依次连接形成模组框架，在将模组主体设置在底板（7）上，将叶身（10）上的外缘板（11）和内缘板（12）分别通过第一冒口（8）和第二冒口（9）与上圆盘（5）连接，引晶器蜡模（2）包括引晶杆a、引晶杆b、引晶杆c和引晶杆d，引晶杆a和引晶杆b的夹角为β，β角为40-100°，引晶杆a和引晶杆b分别连接外缘板（11）和内缘板（12）的下部起始端，引晶杆c和引晶杆d设置在引晶杆a和引晶杆b之间，引晶杆c和引晶杆d分别通过第一晶粒放大器e、第二晶粒放大器f连接叶身（10）下部的进气边， 第一晶粒放大器e和第二晶粒放大器f的角度为γ, γ角为30-90°;
S4，模壳的制备：
涂料采用5-7层壳型，料浆为白刚玉粉和硅溶胶，撒砂材料为刚玉砂，第一层、第二层砂料粒度为60-100目，第三层为40-80目，第四层至第六层为20-40目，最后一层为固沙层，涂料封浆，然后脱蜡，脱蜡完成后进行焙烧得到模组模壳；
S5，熔炼熔注：
熔炼浇注设备为真空定向凝固炉，将熔炼的高温合金液浇注至模壳中，静置后，壳型以一定的拉晶速度向下移出加热器，在定向热流的作用下，籽晶中的枝晶外延生长，得到单晶取向与籽晶取向一致的双联导向叶片，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射线检测工序得到双联单晶叶片铸件。
2.根据权利要求 1 所述的籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S1中，所述宏观腐蚀为化学腐蚀，腐蚀液由40％三氯化铁溶液和40％浓盐酸混合而成，腐蚀时间为8-10min；腐蚀后将籽晶放置在5％NaHCO3室温溶液中浸泡，浸泡时间为2-4min，再进行超声波清洗，超声波频率为15-30Hz，水温40-60℃，清洗时间3-6min，最后烘干。
3.根据权利要求 1 所述的籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S2中，压注压力为3-30bar，保压时间为5-100s，蜡料温度为50-70℃。
4.根据权利要求 1 所述的籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S3中，所述叶片蜡模（1）、所述引晶器蜡模（2）和所述籽晶器蜡模（3）通过石蜡连接。
5.根据权利要求 1 所述的籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S3中，所述引晶杆a、所述引晶杆b、所述引晶杆c和所述引晶杆d的直径均为3-10mm。
6.根据权利要求 1 所述的籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S4中，涂覆的厚度为3-10mm；脱蜡的压力为0.3-1Mpa，温度为100-200℃；焙烧的温度为600-950℃，时间2-10h。
7.根据权利要求 1 所述的籽晶法制备空心大尺寸双联整铸单晶导向叶片的铸造方法，其特征在于，步骤S5中，浇注采用1500-1540℃高温合金液，静置的时间为2-10min，拉晶速度为3-8 mm/min，冷却时间为5-7h。
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