一种发动机叶片的精密铸造方法
【专利摘要】本发明公开了一种发动机叶片的精密铸造方法，包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤。通过上述工序保证了发动机叶片表面和内部缺陷的良好的消除率，且内部微观组织更加均匀。
【专利说明】一种发动机叶片的精密铸造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及精密铸造【技术领域】，具体涉及发动机叶片的精密铸造方法。
【背景技术】
[0002]钛合金密度小，比强度高，耐腐蚀，由于该一系列优异的特性，被广泛地应用于航空航天工业、能源工业、海上运输工业等方面。欧洲航天局也曾启动了航空研究计划，就是旨在掌握钛铝基合金航空发动机叶片和燃气轮机叶片。飞机发动机推重比是评价现代飞机发动机的主要指标之一，它对飞机性能有着决定性的作用。当前应用于发动机叶片的时候，较为常见的成型方法为精密铸造方法。采用熔模精密铸造工艺制备TiAl基合金构件，特别是形状复杂的构件，可得到无余量或近无余量的精密复杂构件，大幅度减少金属损耗，提高材料的利用率，减少大量机加工工时，大幅度降低生产成本。
[0003]目前使用较多的钛合金精密铸造用型壳，大致可分为:石墨型壳、钨面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳等。但是由于模具形成方式的不足以及铸造过程的参数设计不合理，导致成型后的零件表面和内部缺陷均比较多。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种发动机叶片的精密铸造方法；
[0005]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种发动机叶片的精密铸造方法，包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
[0007]其中，所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
[0008]其中，所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆30?45s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为350?480°C中保温
2.5?3h，然后继续升温为800?850°C，保温2.5?3h，继续升温为1000?1100°C，保温
2.5?3h，然后随炉冷却到室温，得到模具；
[0009]其中，所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入坩埚中，将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4?8次的冲洗，最终保持坩埚熔炼室的真空度为10_5?10_3mbar进行熔炼，熔炼完成后保温10?15min，使得原料中的各元素均匀；
[0010]其中，所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为380?580°C ；
[0011]其中，所述离心铸造的步骤为，离心转速为195rpm?385rpm,烧铸时间为6?8s ；
[0012]其中，所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
[0013]其中，所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到900?980°C的模具中，然后在加热炉内加热到1050~1150°C，然后进行离心铸造，离心转速为195rpm ~385rpm ；
[0014]其中，所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
[0015]其中，所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
[0016]其中，所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为950~990°C，热等静压的压力为100~180MPa，保压时间为3~6小时。
[0017]作为优选，所述坩埚为水冷铜坩埚。
[0018]作为优选，所述的惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗为，先将坩埚熔炼室抽真空至10-5~l(T3mbar,然后充入IS气至10~14mbar,然后再抽真空至10-5~l(T3mbar,如此反复共4~8次。
[0019]作为优选，所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的。
[0020]作为优选，所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为 3.8 ~4.2:1:0.0004 ~0.001:0.0006 ~0.0012。
[0021]作为优选，所述发动机叶片的材质为钛铝合金，所述钛铝合金的组成按重量百分比为38~42%的铝、3~4.8%的铌、0.2~0.8%的碳，余量为钛和不可避免的杂质。
[0022]作为优选，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳和海绵钛。
[0023]本发明的效果在于:通过特定的模具制造和设计过程，使得模具符合发动机叶片的特定需求；通过离心铸造参数的设定，使得内部缺陷得到很好的消除；通过二次成型和二次冷却，使得内部组织均匀稳定且使得内部缺陷得到非常好的消除，并且保证了表面缺陷的良好的消除率；热等静压参数的设定使得内部微观组织更加均匀。
【具体实施方式】
[0024]实施例1
[0025]包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
[0026]所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
[0027]所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆35s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为380°C中保温2.8h，然后继续升温为830°C，保温2.8h，继续升温为1050°C，保温2.9h，然后随炉冷却到室温，得到模具；
[0028]所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入坩埚中，将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行6次的冲洗，最终保持坩埚熔炼室的真空度为lOlibar进行熔炼，熔炼完成后保温12min，使得原料中的各元素均匀；
[0029]所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为480°C ；
[0030]所述离心铸造的步骤为，离心转速`为300rpm，浇铸时间为7s ；[0031]所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
[0032]所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到920°C的模具中，然后在加热炉内加热到1080°C，然后进行离心铸造，离心转速为310rpm;
[0033]所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
[0034]所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
[0035]所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为980°C，热等静压的压力为130MPa，保压时间为4小时。
[0036]实施例2:
[0037]包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤；
[0038]所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗；
[0039]所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆30?45s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为350?480°C中保温2.5?3h，然后继续升温为800?850°C，保温2.5?3h，继续升温为1000?1100°C，保温2.5?3h，然后随炉冷却到室温，得到模具；所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.9:1:0.0006:0.0008。
[0040]所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入水冷铜坩埚中，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳和海绵钛。将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4?8次的冲洗，先将坩埚熔炼室抽真空至10_5?10_3mbar，然后充入氩气至10?14mbar，然后再抽真空至10_5?10_3mbar，如此反复共4?8次。最终保持坩埚熔炼室的真空度为10_5?10_3mbar进行熔炼，熔炼完成后保温10?15min，使得原料中的各元素均匀；发动机叶片的材质为钛铝合金，所述钛铝合金的组成按重量百分比为39%的铝、3.8%的铌、0.6%的碳，余量为钛和不可避免的杂质。
[0041]所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为380?580°C ；
[0042]所述离心铸造的步骤为，离心转速为195rpm?385rpm,烧铸时间为6?8s ;
[0043]所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干；
[0044]所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到900?980°C的模具中，然后在加热炉内加热到1050?1150°C，然后进行离心铸造，离心转速为195rpm ?385rpm ；
[0045]所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷；
[0046]所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理；
[0047]所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为950?990°C，热等静压的压力为100?180MPa，保压时间为3?6小时。
【权利要求】
1.一种发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，包括模具设计、模具制造，原料熔炼，下料准备，离心铸造，第一次冷却，第二次成型，第二次冷却，切边和喷砂，热等静压步骤； 所述模具设计的步骤为，采用水溶性型芯，采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型，采用快速成型机，采用现有激光烧结结束逐层烧结直径小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蜡后制得熔模，然后对熔模进行表面与内部的清洗； 所述模具制造的步骤为，将熔模浸入到面层涂料中沾浆30~45s后取出，然后进行面层的撒砂、干燥，得到模壳，将模壳放入加热炉中，在温度为350~480°C中保温2.5~3h，然后继续升温为800~850°C，保温2.5~3h，继续升温为1000~1100°C，保温2.5~3h，然后随炉冷却到室温，得到模具； 所述原料熔炼的步骤为，将待熔炼的原材料放入坩埚中，将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内，先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗，最终保持坩埚熔炼室的真空度为10_5~10_3mbar进行熔炼,熔炼完成后保温10~15min,使得原料中的各元素均匀； 所述下料准备的步骤为，用石棉包裹模具制造步骤得到的模具，进行预热后下料，所述预热的温度为380~580°C ； 所述离心铸造的步骤为，离心转速为195rpm~385rpm,烧铸时间为6~8s ; 所述第一次冷却的步骤为，出炉空冷，将型芯溶出后，清洗零件并烘干； 所述第二次成型的步骤为，将第一次冷却后得到的铸件放入预热到900~980°C的模具中，然后在加热炉内加热到1050~1150°C，然后进行离心铸造，离心转速为195rpm~385rpm ； 所述第二次冷却的步骤为，出炉空冷 ； 所述切边和喷砂的步骤为，采用机械方法清除型壳，将浇铸系统切除，用高压水切掉工艺边，进行喷砂处理； 所述热等静压的步骤为，热等静压的温度为为950~990°C，热等静压的压力为100~180MPa，保压时间为3~6小时。
2.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述坩埚为水冷铜坩埚。
3.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述的惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗为，先将坩埚熔炼室抽真空至10_5~10_3mbar，然后充入IS气至10~14mbar,然后再抽真空至10-5~l(T3mbar,如此反复共4~8次。
4.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的。
5.根据权利要求4所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.8~4.2:1:0.0004~0.001:0.0006 ~0.0012。
6.根据权利要求1所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述发动机叶片的材质为钛铝合金，所述钛铝合金的组成按重量百分比为38~42%的铝、3~4.8%的铌、0.2~0.8%的碳，余量为钛和不可避免的杂质。
7.根据权利要求6所述的发动机叶片的精密铸造方法，其特征在于，所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳和海绵钛。
【文档编号】B22C7/02GK103506594SQ201310433622
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】王强 申请人:苏州华宇精密铸造有限公司