高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，所述透平叶片具有从叶身部周壁凸起的缘板部；所述成型用蜡树结构在精铸的制壳工艺中使用，蜡树上具有对应透平叶片轮廓形状的叶片蜡模，所述叶片蜡模在蜡树上以倾斜方式成型，叶片蜡模的各部位棱边呈倾斜状。本发明有效避免了所成型模壳的叶片模腔各部位棱边处于水平横置状态，确保它们倾斜，进而在定向凝固工艺中，能够减少、甚至杜绝叶片模腔缘板部边角处因过度凸出和下垂而所造成的杂晶缺陷产生，从而提高叶片的单晶成品率。
【专利说明】高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温合金部件的精密铸造，具体是一种高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构。
【背景技术】
[0002]由于单晶组织能够明显地提高高温合金部件的性能，因而，单晶技术越来越多地应用于工业燃气轮机的叶片制造。透平叶片通体呈轴向延伸的狭长型结构，其叶身部能够在定向凝固工艺中可靠地实现顺序的单晶生长。然而，透平叶片的叶根部和叶身部之间通常是具有从叶身部周壁凸起的缘板部的，即缘板部的横截面积大于叶根部横截面积/叶身部横截面积，整个透平叶片的轮廓形状趋向于近似“十字状”。由于透平叶片的这种结构特性，使得叶身部和叶根部与缘板部的连接处发生横截面的突然扩展，从而在定向凝固工艺中，缘板部处会形成较大的过早冷却和凝固，这种过早冷却、凝固将直接导致成型的透平叶片内杂晶缺陷产生，进而使透平叶片的单晶成型结构被破坏。
[0003]参见图1:现有高温合金透平叶片成型模壳的成型蜡树结构是:在蜡树上设置有对应设计要求的“十字状”透平叶片的叶片蜡模1，为了确保在定向凝固工艺中单晶体能够顺序生长，叶片蜡模I在蜡树上以轴向竖置成型，即叶片蜡模I的叶身部13和叶根部11轴向竖置、与蜡树的轴向方向基本一致，仅有叶片蜡模I的缘板部12在轴向竖置的叶身部13和叶根部11之间横置、呈径向扩展，这尤其以缘板部12的边角处14 (即最大凸起轮边)横向凸起更为明显，叶身部13的底部设有选晶蜡模2 (与启晶蜡模3 —体)；以此所成型模壳在定向凝固工艺中，模壳放置在水冷铜盘上，启晶模腔与水冷铜盘接触。此成型模壳虽在定向凝固中使轴向竖置的叶身部内能够实现顺序的单晶生长，但水平横置的缘板部因横截面的突然扩展，缘板部的边角处则极易出现杂晶，进而使缘板部内部及叶根部内部的单晶成长“势头”被破坏，即整个透平叶片的单晶成型结构被破坏，无法可靠、有效地铸造出高性能的高温合金单晶透平叶片。
【发明内容】
[0004]本发明的发明目的在于:针对上述透平叶片的结构特性以及现有技术的不足，提供一种所成型模壳能够可靠实现单晶体顺序生长的高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构。
[0005]本发明采用的技术方案是:一种高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，所述透平叶片具有从叶身部周壁凸起的缘板部；所述成型用蜡树结构在精铸的制壳工艺中使用，蜡树上具有对应透平叶片轮廓形状的叶片蜡模，所述叶片蜡模在蜡树上以倾斜方式成型，叶片蜡模的各部位棱边呈倾斜状。
[0006]所述腊树上还具有选晶腊|旲和启晶腊|旲；所述选晶腊|旲和启晶腊1?在腊树上以倾斜方式成型，它们的倾斜方向与叶片蜡模的叶身部倾斜方向一致。
[0007]所述选晶蜡模和启晶蜡模的倾斜角度等于或大于叶片蜡模的叶身部倾斜角度。
[0008]所述启晶蜡模的底部设有导热体。
[0009]所述导热体为楔形结构。
[0010]本发明的有益效果是:
1.本发明通过将叶片蜡模在蜡树以倾斜方式成型，从而有效避免了所得成型模壳的叶片模腔各部位棱边处于水平横置状态，确保它们倾斜，进而在定向凝固工艺中，能够减少、甚至杜绝叶片模腔缘板部边角处因过度凸出和下垂而所造成的杂晶缺陷产生，从而提闻叶片的单晶成品率；
2.本发明通过将所成型模壳的启晶器以倾斜布置来调整热流方向，进而可使单晶的晶体取向与透平叶片的叶身部轴向趋于一致，能够实现透平叶片结构性能的最佳化；
3.本发明通过在所成型模壳的启晶模腔内设置调整热流方向的导热体，加强对启晶器内热流方向的调整，可靠确保透平叶片结构性能的最佳化。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0012]图1是现有轴向竖置式透平叶片成型模壳的成型蜡模结构示意图。
[0013]图2是本发明的一种结构示意图。
[0014]图3是本发明的另一种结构示意图。
[0015]图中代号含义:1一叶片蜡模；11一叶根部；12—缘板部；13—叶身部；14一边角处；2—选晶蜡模；3—启晶蜡模；4一导热体。
【具体实施方式】
[0016]实施例1
参见图2:本发明为一种高温合金单晶透平叶片成型用的陶瓷模壳的成型蜡树结构，该透平叶片的叶身部和叶根部之间具有从叶身部周壁凸起的缘板部。本发明具体在精铸的制壳工艺中使用，确保所成型陶瓷模壳在定向凝固工艺中所成型透平叶片的高温合金能够实现单晶体顺序生长。本发明的蜡树结构具有叶片蜡模1、选晶蜡模2和启晶蜡模3。
[0017]其中，叶片蜡模1的空间形状对应设计要求的透平叶片轮廓形状，即由从上到下的叶根部11、缘板部12和叶身部13组成趋近于“十字状”结构。该叶片蜡模1在蜡树上以倾斜方式成型，即叶身部13 (亦包括了叶根部11)的轴线与蜡树的轴线形成倾斜夹角，该倾斜夹角的选值范围在0?45°之间且不得为端值，通常根据设计透平叶片本身的结构特征来优选中间值，例如20°、30°、40°等，总之，这些选值的最终目的是必须确保叶片蜡模1的各部位(包括叶根部11、缘板部12和叶身部13)棱边呈倾斜状；且为了使所成型陶瓷模壳的叶片模腔的缘板部能够在定向凝固中顺利实现单晶体生长，叶片蜡模1的缘板部12从叶身部13凸出最大的轮边(即边角处14)应上翘、倾斜，以此能够延缓此处在定向凝固工艺中的冷却时间，以避免杂晶缺陷产生。
[0018]为了保证所成型陶瓷模壳的叶片模腔内高温合金在定向凝固中单晶体能够顺序生长，在上述具有叶片蜡模1的蜡树上还设有选晶蜡模2和启晶蜡模3，该选晶蜡模2和启晶蜡模3为一体化布置在蜡树中的叶片蜡模1下方，以倾斜方式成型，具体的倾斜角度是:确保它们的轴向方向与叶片蜡模1的叶身部13轴向方向一致，即平行或尽可能平行；但是，由于定向凝固炉内温度梯度的影响，陶瓷模壳启晶器内的热流会有向下的分量，不完全平行于启晶器的轴向，因而为抵消这种影响，可以将蜡树上的启晶蜡模3的倾斜角度更大一些，即启晶蜡模3的轴线与蜡树的轴线之间的倾斜夹角大于叶身部13轴线与蜡树轴线之间的倾斜夹角，通常约在10°范围内合理选择。这样所成型陶瓷模壳可以在定向凝固中调整单晶透平叶片的晶体取向与叶身部轴向的趋于一致化。
[0019]上述高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构的组装及成型陶瓷模壳的方法，具体包括下列顺序步骤:
1).根据透平叶片的设计形状制作叶片蜡模，以及一体的选晶和启晶蜡模；根据所成型叶片蜡模的结构特征确定叶片蜡模在蜡树底盘上的倾斜方向和角度，倾斜方向的合理确定是确保叶片蜡模上的缘板部最大凸出轮边上翘，倾斜角度的合理确定是确保叶片蜡模的各部位棱边均倾斜、且确保选晶和启晶蜡模的可靠安装倾斜；
2).按照步骤I)确定的倾斜方向和角度将叶片蜡模、选晶和启晶蜡模对应安装在蜡树底盘上；使叶片蜡模在蜡树底盘上以倾斜方式竖置，叶片蜡模在蜡树底盘上呈偏离中心的倾斜状；使选晶和启晶蜡模处在叶片蜡模的下方，以对应于叶片蜡模叶身部轴向的方向安装在蜡树底盘上；
3).用反复粘桨淋砂的方法在步骤2)的蜡树上制作陶瓷模壳；对陶瓷模壳进行脱蜡、烧残蜡和烧结处理，得透平叶片成型模壳。
[0020]上述陶瓷模壳在定向凝固工艺中的具体使用是:
1).将陶瓷模壳放置在真空定向凝固炉内的水冷铜盘上，必要时事先将陶瓷模壳的壳底进行研磨，使模壳的底盘下表面与水冷铜盘的上表面形成紧密接触；
2).将陶瓷模壳升入加热室内，关炉门、抽真空，开启加热器，预热至设定温度，将熔化后的高温合金浇入陶瓷模壳内；高温合金熔体通过向水冷铜盘的散热，随着陶瓷模壳向冷室的下降，启晶器内的一些柱晶晶粒长入狭窄弯曲的选晶器内，经过相互竞争，最后只有一个晶粒长出并进入叶身部内，变为叶身部的单晶凝固；在缘板部通过凝固区时，要适当降低抽拉速度，使凝固界面由叶身部缓慢进入倾斜的缘板部，将被抬高的缘板部的边角处顺序凝固；
3).在凝固过程结束后，将铸模冷室放真空后打开，取出并破开模壳，取出铸件；
4).检查铸件质量，统计单晶成品率，测量叶身部的晶体取向；根据结果调整叶片和启晶器的倾斜角度，以达到最佳效果。
[0021]实施例2
参见图3:本发明为一种高温合金单晶透平叶片成型用的陶瓷模壳的成型蜡树结构，该透平叶片的叶身部和叶根部之间具有从叶身部周壁凸起的缘板部。本发明具体在精铸的制壳工艺中使用，确保所成型陶瓷模壳在定向凝固工艺中所成型透平叶片的高温合金能够实现单晶体顺序生长。本发明的蜡树结构具有叶片蜡模1、选晶蜡模2和启晶蜡模3。
[0022]其中，叶片蜡模I的空间形状对应设计要求的透平叶片轮廓形状，即由从上到下的叶根部11、缘板部12和叶身部13组成趋近于“十字状”结构。该叶片蜡模I在蜡树上以倾斜方式成型，即叶身部13 (亦包括了叶根部11)的轴线与蜡树的轴线形成倾斜夹角，该倾斜夹角的选值范围在O?45°之间且不得为端值，通常根据设计透平叶片本身的结构特征来优选中间值，例如20°、30°、40°等，总之，这些选值的最终目的是必须确保叶片蜡模I的各部位(包括叶根部11、缘板部12和叶身部13)棱边呈倾斜状；且为了使所成型陶瓷模壳的叶片模腔的缘板部能够在定向凝固中顺利实现单晶体生长，叶片蜡模1的缘板部12从叶身部13凸出最大的轮边(即边角处14)应上翘、倾斜，以此能够延缓此处在定向凝固工艺中的冷却时间，以避免杂晶缺陷产生。
[0023]为了保证所成型陶瓷模壳的叶片模腔内高温合金在定向凝固中单晶体能够顺序生长，在上述具有叶片蜡模1的蜡树上还设有选晶蜡模2和启晶蜡模3，该选晶蜡模2和启晶蜡模3为一体化布置在蜡树中的叶片蜡模1下方，以倾斜方式成型，具体的倾斜角度是:确保它们的轴向方向与叶片蜡模1的叶身部13轴向方向一致，即平行或尽可能平行。为了可靠地调整所成型陶瓷模壳的启晶器轴向热流和晶粒生长方向，在蜡树的启晶蜡模3底部内设有铜质或石墨成型的导热体4，该导热体4为上表面倾斜的楔形结构。这样所成型陶瓷模壳可以在定向凝固中调整单晶透平叶片的晶体取向与叶身部轴向的趋于一致化，可靠地确保透平叶片结构性能的最佳化。
[0024]上述高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构的组装及成型陶瓷模壳的方法，具体包括下列顺序步骤:
1).根据透平叶片的设计形状制作叶片蜡模，以及一体的选晶和启晶蜡模；根据所成型叶片蜡模的结构特征确定叶片蜡模在蜡树底盘上的倾斜方向和角度，倾斜方向的合理确定是确保叶片蜡模上的缘板部最大凸出轮边上翘，倾斜角度的合理确定是确保叶片蜡模的各部位棱边均倾斜、且确保选晶和启晶蜡模的可靠安装倾斜；
2).按照步骤1)确定的倾斜方向和角度将叶片蜡模、选晶和启晶蜡模对应安装在蜡树底盘上；使叶片蜡模在蜡树底盘上以倾斜方式竖置，叶片蜡模在蜡树底盘上呈偏离中心的倾斜状；使选晶和启晶蜡模处在叶片蜡模的下方，以对应于叶片蜡模叶身部轴向的方向安装在蜡树底盘上，将铜质/石墨成型的楔形导热体设置在启晶蜡模的底部；
3).用反复粘桨淋砂的方法在步骤2)的蜡树上制作陶瓷模壳；对陶瓷模壳进行脱蜡、烧残蜡和烧结处理，得透平叶片成型模壳。
[0025]上述陶瓷模壳在定向凝固工艺中的具体使用是:
1).将陶瓷模壳放置在真空定向凝固炉内的水冷铜盘上，陶瓷模壳启晶模腔内的导热体底面与水冷铜盘上表面接触；必要时事先将陶瓷模壳的壳底进行研磨，使陶瓷模壳启晶模腔内的导热体底面与水冷铜盘的上表面形成紧密接触；
2).将陶瓷模壳升入加热室内，关炉门、抽真空，开启加热器，预热至设定温度，将熔化后的高温合金浇入陶瓷模壳内；高温合金熔体通过向水冷铜盘的散热，随着陶瓷模壳向冷室的下降，启晶器内的一些柱晶晶粒长入狭窄弯曲的选晶器内，经过相互竞争，最后只有一个晶粒长出并进入叶身部内，变为叶身部的单晶凝固；在缘板部通过凝固区时，要适当降低抽拉速度，使凝固界面由叶身部缓慢进入倾斜的缘板部，将被抬高的缘板部的边角处顺序凝固；
3).在凝固过程结束后，将铸模冷室放真空后打开，取出并破开模壳，取出铸件；将导热体回收，留作下次使用；
4).检查铸件质量，统计单晶成品率，测量叶身部的晶体取向；根据结果调整叶片和启晶器的倾斜角度，以达到最佳效果。
[0026]上述各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对上述各实施例的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，所述透平叶片具有从叶身部周壁凸起的缘板部；所述成型用蜡树结构在精铸的制壳工艺中使用，蜡树上具有对应透平叶片轮廓形状的叶片蜡模(1)，其特征在于:所述叶片蜡模(I)在蜡树上以倾斜方式成型，叶片蜡模(I)的各部位棱边呈倾斜状。
2.根据权利要求1所述高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，其特征在于:所述蜡树上还具有选晶腊|旲(2)和启晶腊|旲(3);所述选晶腊|旲(2)和启晶腊|旲(3)在腊树上以倾斜方式成型，它们的倾斜方向与叶片蜡模(I)的叶身部(13)倾斜方向一致。
3.根据权利要求2所述高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，其特征在于:所述选晶蜡模(2)和启晶蜡模(3)的倾斜角度等于或大于叶片蜡模(I)的叶身部(13)倾斜角度。
4.根据权利要求2或3所述高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，其特征在于:所述启晶蜡模(3)的底部设有导热体(4)。
5.根据权利要求4所述高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构，其特征在于:所述导热体(4)为楔形结构。
【文档编号】B22C9/22GK104439077SQ201410770230
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】马德新, 张琼元, 王海洋, 刘艳领, 曾洪, 赵代银, 杨功显 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司