CN106001513B - 一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法。在蜡模制备过程中，将板形陶瓷型芯放入模具中，用陶瓷型芯做蜡料的支撑，合上模具，向模具中注射蜡料，蜡料注射压力5bar～8bar、蜡料温度60℃～80℃、保压时间60s～120s，在板形陶瓷型芯两侧形成一定厚度的蜡模，使蜡模紧密贴附在陶瓷型芯表面。根据设计薄壁试样的厚度，对陶瓷型芯两侧的蜡模进行减薄，控制主轴转速500r/min～6000r/min、进给速度30mm/min～450mm/min、轴向切削深度0.03mm～0.5mm，制备出薄壁试样蜡模，将薄壁试样蜡模组成模组后涂壳制备型壳，在真空感应单晶炉内完成定向凝固浇注，由此制备出单晶高温合金精铸薄壁试样。本发明可完全避免蜡模在取模、修整过程中变形及定向凝固过程中浇不足、欠铸的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法。
背景技术
随着航空燃气涡轮发动机推重比(功重比)的不断提升，涡轮前温度愈来愈高，促使单晶高温合金气冷涡轮叶片的内腔结构设计更加复杂，叶片壁厚越来越薄，并采用薄尾缘结构以减少气动损失。在薄壁结构条件下单晶高温合金的性能是否会发生变化，能否达到标准试样的性能，即单晶高温合金是否具有薄壁效应，这对于单晶高温合金涡轮叶片的可靠性设计和长寿命使用都极为重要。
国内外对单晶高温合金薄壁效应的研究工作，均采用对较厚的大块金属进行机加工的方法制备薄壁试样，然后进行力学性能测试，未见更接近单晶高温合金气冷涡轮叶片表面状态的精密铸造薄壁试样。实际涡轮叶片薄壁位置的表面大多不经机加工，其中涡轮叶片外表面经吹砂处理，内腔表面为铸态表面。因此，研究单晶高温合金的薄壁效应首要的问题是制备出熔模精密铸造薄壁试样，要求熔模精密铸造薄壁试样中间的工作端部位(有效承受载荷区域)应尽量避免机加工，保证工作端的表面状态与实际涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致。
单晶高温合金精铸薄壁试样的制备采用熔模精密铸造工艺与定向凝固技术，整个工艺过程主要包括陶瓷型芯制备、蜡模制备、型壳制备、定向凝固等工序。在蜡模制备过程中，当压制蜡模的厚度小于1mm时，蜡模强度低，若无型芯支撑，蜡模在从模具中取出、修整以及型壳涂壳过程中极易发生变形，导致最终制备出的单晶高温合金精铸薄壁试样变形量大、甚至弯曲和翘曲，无法满足力学性能测试对薄壁试样平行度、同轴度的要求；在型壳制备过程中，虽然增加涂壳层数有利于提高型壳的高温强度，但涂壳层数过多会明显降低型壳的溃散性、增大薄壁试样的凝固残余应力，精铸薄壁试样在热处理过程中易产生再结晶，导致精铸薄壁试样报废；在定向凝固过程中，当上、下加热器的温度较低、型壳保温时间过短时，合金金属液在型壳中的流动性降低，易出现薄壁试样铸件浇不足、欠铸等问题，当抽拉速度控制不合理时，薄壁试样易产生杂晶、大角度晶界等缺陷。采用传统的对较厚的大块金属进行机加工的方法制备单晶高温合金薄壁试样，试样表面存在一层机加工应力层，试样的表面状态与实际涡轮叶片薄壁位置的表面状态相差很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种可完全避免蜡模在取模、修整过程中变形和定向凝固过程中浇不足、欠铸以及铸件产生杂晶、再结晶等问题的熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法。
本发明的技术解决方案是，在蜡模制备过程中，将板形陶瓷型芯放入模具中，用陶瓷型芯做蜡料的支撑，合上模具，向模具中注射蜡料，蜡料注射压力5bar～8bar、蜡料温度60℃～80℃、保压时间60s～120s，在板形陶瓷型芯两侧形成一定厚度的蜡模，使蜡模紧密贴附在陶瓷型芯表面，根据设计薄壁试样的厚度，对陶瓷型芯两侧的蜡模进行机加工减薄，制备出薄壁试样蜡模，将薄壁试样蜡模组成模组后涂壳制备型壳，在真空感应单晶炉内完成定向凝固浇注，由此制备出单晶高温合金精铸薄壁试样。
在对陶瓷型芯两侧的蜡模进行机加工减薄时，采用数控机床进行铣削加工的方法，控制主轴转速500r/min～6000r/min、进给速度30mm/min～450mm/min、轴向切削深度0.03mm～0.5mm。
在定向凝固过程中，控制上加热器温度1540℃～1560℃、下加热器温度1560℃～1580℃、型壳保温时间10min～20min、浇注温度1540℃～1580℃、抽拉速度2mm/min～6mm/min。
在涂壳制备型壳过程中，涂壳的层数控制在3层～5层。
本发明具有的优点和有益效果，本发明采用熔模精密铸造的方法制备单晶高温合金薄壁试样，试样表面为铸造状态表面，使得薄壁试样的表面状态与实际涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致。本发明提出用陶瓷型芯做蜡料的支撑、根据设计薄壁试样的厚度对陶瓷型芯两侧的蜡模进行数控铣削加工减薄，避免了蜡模在从模具中取出、修整以及型壳涂壳过程中的变形，以及单晶高温合金精铸薄壁试样的弯曲和翘曲。本发明针对单晶高温合金精铸薄壁试样壁厚薄的特点，在保证型壳强度的前提下，提出在涂壳制备型壳过程中涂壳的层数控制在3层～5层，从而提高型壳的溃散性，降低薄壁试样的凝固残余应力，进而降低精铸薄壁试样在热处理过程的再结晶发生率。本发明控制单晶高温合金精铸薄壁试样定向凝固过程中的加热器温度、浇注温度与抽拉速度，有利于提高合金金属液在型壳中的流动性，避免了薄壁试样铸件浇不足、欠铸等问题，降低了薄壁试样产生杂晶、大角度晶界等缺陷的风险。
附图说明
图1是单晶高温合金薄壁板形试样蜡模压制模具下模。其中：
1.注蜡口 2.蜡料工作端 3.内浇道 4.模具模板
5.蜡料凹模表面 6.放置陶瓷型芯凹模
单晶高温合金薄壁板形试样蜡模压制模具上模与下模相同。
具体实施方式
本发明采用了以下技术实施方案：
本发明的制备流程为型芯制备→蜡模压制→蜡模机加工减薄→型壳制备→定向凝固。
采用陶瓷型芯做支撑的方式，将板形陶瓷型芯放入模具中，合上模具，向模具中注射蜡料，在板形陶瓷型芯两侧形成一定后的蜡模，使蜡模紧密贴附在陶瓷型芯表面，根据设计薄壁试样的厚度，采用对蜡模进行铣削加工减薄的方法，制备出薄壁试样蜡模。将薄壁试样蜡模组成模组后涂壳制备型壳，在真空感应单晶炉内完成定向凝固浇注。由于采用陶瓷型芯作支撑对蜡模机加工减薄，提高定向凝固过程中的控制温度，可避免蜡模在取模、修整过程中的变形和定向凝固过程中的浇不足、欠铸。其中：
1、蜡模制备
(1)蜡模压制
将板形陶瓷型芯放入如图1所示的单晶高温合金薄壁板形试样蜡模压制模具中陶瓷型芯凹模6位置，合上模具，将模具注蜡口1对准压蜡机喷射嘴，向模具中注射蜡料。控制蜡料温度为60℃～80℃，提高蜡料在薄壁试样蜡模压制模具中的流动性，使蜡料在蜡料凹模5中填充充分；控制蜡料注射压力为5bar～8bar、保压时间为60s～120s，增大蜡料与型芯之间的结合强度，避免蜡料在后续机加工减薄过程中与型芯发生分离。
(2)蜡模机加工减薄
将压制出的蜡模放到专用卡具上，并用压紧板压住型芯边缘以固定蜡模，控制蜡模机加工过程中的环境温度在15℃～30℃范围内，根据设计薄壁试样的厚度，采用数控机床先对型芯一侧的蜡料进行逐层铣削加工减薄，当对型芯一侧的蜡料减薄完毕后再对型芯另一侧的蜡料进行逐层机加工减薄。在蜡模机加工减薄过程中，控制主轴转速500r/min～6000r/min、进给速度30mm/min～450mm/min、轴向切削深度0.03mm～0.5mm。对减薄后的薄壁试样蜡模进行修整、清洗和组模，每模组包含8根～10根薄壁试样蜡模。
2、型壳制备
在型壳制备过程中，过高的型壳强度使定向凝固后的清除型壳工作变得困难，若清壳力量过大会导致单晶高温合金精铸薄壁试样发生断裂，且增大薄壁试样的凝固残余应力，精铸薄壁试样在热处理过程中易产生再结晶。在涂壳制备型壳过程中，涂壳的层数控制在3层～5层，改善型壳的溃散性，降低薄壁试样的凝固残余应力，进而降低精铸薄壁试样在热处理过程的再结晶发生率。
3、定向凝固
选择在真空感应单晶炉内进行单晶高温合金精铸薄壁试样的定向凝固浇注。由于本发明中板形陶瓷型芯的厚度较大，具有较高的高温强度，同时考虑到金属液的流动性，在整个定向凝固过程中选择较高的控制温度，以利于金属液在薄壁试样型腔中的填充。控制上加热器温度1540℃～1560℃、下加热器温度1560℃～1580℃、浇注温度1540℃～1580℃、型壳在加热器中的保温时间为10min～20min、抽拉速度2mm/min～6mm/min。
通过以上实施方式，成功制备出截面厚度为0.5mm～2.0mm的单晶高温合金精铸薄壁试样，即可制备出最薄仅为0.5mm的薄壁试样，无弯曲变形、浇不足、欠铸等缺陷，且薄壁试样的表面为铸造表面状态，与实际气冷涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致，满足力学性能测试和单晶高温合金薄壁效应研究对精密铸造薄壁试样的要求。
实施例1：
制备25mm×5mm×150mm的板形陶瓷型芯，将型芯放入单晶高温合金薄壁试样蜡模压制模具陶瓷型芯凹模中，合上模具，将模具注蜡口对准压蜡机喷射嘴，向模具中注射蜡料，设定蜡料温度为65℃，蜡料注射压力8bar、保压时间70s，将蜡料压制到板形陶瓷型芯的两个侧面，使蜡料紧密贴附在陶瓷型芯表面。
将压制出的蜡模放入专用卡具上，根据设计薄壁试样的厚度，使用数控机床对蜡模进行机加工减薄，控制主轴转速5000r/min、进给速度280mm/min、轴向切削深度0.3mm，减薄后蜡料的厚度为0.5mm。修整减薄后的薄壁试样蜡模，去除机加工过程中产生的蜡屑、毛刺，每10根薄壁试样蜡模组成一组。
在薄壁试样型壳制备过程中，涂壳的层数为3层，改善型壳的溃散性，定向凝固后型壳容易清除干净，降低了薄壁试样在清壳过程中被敲断或震裂的风险。
在真空感应单晶炉内进行单晶高温合金精铸薄壁试样的定向凝固浇注，设定上加热器温度1560℃、下加热器温度1580℃、型壳在加热器中保温20min，单晶高温合金金属液温度控制在1580℃浇注到薄壁试样型壳中，抽拉速度设定为2.5mm/min。
定向凝固结束后，清除薄壁试样铸件表面的残余型壳，使用线切割切除与薄壁试样铸件连接的螺旋选晶器、浇道系统等，再将薄壁试样铸件放入高压脱芯釜中去除残余的型芯。通过以上试验，成功制备出厚度0.5mm单晶高温合金精铸薄壁试样，薄壁试样无弯曲变形、浇不足、欠铸等缺陷，试样的表面状态与实际气冷涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致。
实施例2：
制备尺寸25mm×5mm×150mm的板形陶瓷型芯，将型芯放入单晶高温合金薄壁试样蜡模压制模具陶瓷型芯凹模中国，设定蜡料温度70℃、蜡料注射压力5bar、保压时间120s，将蜡料压制到板形陶瓷型芯的两个侧面，使蜡料紧密贴附在陶瓷型芯表面。
使用数控机床对蜡模进行机加工减薄，控制主轴转速1000r/min、进给速度45mm/min、轴向切削深度0.05mm，减薄后蜡料的厚度为1.5mm，每8根薄壁试样蜡模组成一组，薄壁试样模组型壳的挂砂层数为5层。
在真空感应单晶炉内进行单晶高温合金精铸薄壁试样的定向凝固浇注，设定上加热器温度1540℃、下加热器温度1560℃、型壳保温时间10min、浇注温度1540℃、抽拉速度6mm/min。
通过上述试验，成功制备出厚度1.5mm单晶高温合金精铸薄壁试样，薄壁试样无弯曲变形、浇不足、欠铸等缺陷，试样的表面状态与实际气冷涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致。
Claims (4)
1.一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法，其特征在于：在蜡模制备过程中，将板形陶瓷型芯放入模具中，用陶瓷型芯做蜡料的支撑，合上模具，向模具中注射蜡料，蜡料注射压力5bar～8bar、蜡料温度60℃～80℃、保压时间60s～120s，在板形陶瓷型芯两侧形成一定厚度的蜡模，使蜡模紧密贴附在陶瓷型芯表面,根据设计薄壁试样的厚度，对陶瓷型芯两侧的蜡模进行机加工减薄，制备出薄壁试样蜡模，将薄壁试样蜡模组成模组后涂壳制备型壳，在真空感应单晶炉内完成定向凝固浇注，由此制备出单晶高温合金精铸薄壁试样。
2.根据权利要求1所述的熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法，其特征在于：所述对陶瓷型芯两侧的蜡模进行机加工减薄时，采用数控机床进行铣削加工的方法，控制主轴转速500r/min～6000r/min、进给速度30mm/min～450mm/min、轴向切削深度0.03mm～0.5mm。
3.根据权利要求1所述的熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法，其特征在于：所述的定向凝固过程中，控制上加热器温度1540℃～1560℃、下加热器温度1560℃～1580℃、型壳保温时间10min～20min、浇注温度1540℃～1580℃、抽拉速度2mm/min～6mm/min。
4.根据权利要求1所述的熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法，其特征在于：所述的涂壳制备型壳过程中，涂壳的层数控制在3层～5层。
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