一种涡轮叶片精密铸造定向凝固方法与流程

本发明属于熔模铸造定向凝固领域，特指一种涡轮叶片精密铸造定向凝固方法。

背景技术：

涡轮增压器广泛应用于内燃机，其中涡轮叶片在高温高速尾气的直接推动下旋转并带动同轴的压气机工作，承受较高的径向热应力，是典型的耐热部件。

涡轮叶片通常采用高温合金精密铸造法制备，形成等轴晶；等轴晶的横向晶界降低了涡轮增压器涡轮叶片的径向力学性能，尤其是高温蠕变与热疲劳性能；因此，通过减少甚至消除横向晶界，可以提高涡轮增压器涡轮叶片的径向力学性能，从而提高其使用寿命，降低成本。

精密铸造定向凝固是在铸件凝固过程中采用特定方法，在模壳型腔内部建立特定方向的温度梯度，从而使金属晶体沿着与热流相反的方向生长，最终使铸件获得特定取向的柱状晶粒，消除横向晶界，从而提高铸件在柱状晶取向方向的力学性能；本发明即通过精密铸造定向凝固的原理，消除涡轮叶片径向上的横向晶界，从而提高其径向高温蠕变及热疲劳性能。

技术实现要素：
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使用精密铸造工艺生产涡轮叶片，为消除在凝固过程中形成的横向晶界，本发明提供了一种涡轮叶片精密铸造定向凝固方法，通过在每个独立的涡轮叶片型腔内部形成沿径向的温度梯度，使金属晶体从涡轮叶片叶缘沿径向向中心轴定向生长，从而消除了横向晶界，大大提高了涡轮叶片在径向上的力学性能。

一种涡轮叶片精密铸造定向凝固方法，其特征在于采用如下方法制备：

(1)应用精密铸造蜡模组装方法，将各个涡轮叶片蜡模均匀、分散地组装在球形模头蜡模的球面上，各个涡轮叶片蜡模之间的距离应足够大，以确保在制壳后各个涡轮叶片型腔外部仍保持完全分离。

所述的将各个涡轮叶片蜡模均匀、分散地组装在球形模头蜡模的球面上指：将数个涡轮叶片蜡模按圆柱形浇道的中心轴对称组装在球形模头的球面上，根据涡轮叶片大小确定组装数量。

所述涡轮叶片蜡模与球形模头蜡模之间，使用直浇道相连，直浇道的两端分别焊接在球形模头蜡模的球面以及涡轮叶片蜡模的中心轴上。

所述球形模头蜡模外观呈球形，顶端设有圆柱状浇道；球形模头能够提高模头在单位体积上组装涡轮叶片蜡模的数量，提高收得率(即金属利用率)；同时，球形模头形成的球形型腔体积较小，可以在金属液浇注充型时，为各个涡轮叶片型腔提供相近的充型压力；此外，生产涡轮叶片一般采用真空熔炼，球形模头可以提高空间利用率，降低熔炼设备真空室的体积，降低成本。

(2)所述模壳制备方法，是指通过制壳过程中模壳厚度的控制，封闭每个涡轮叶片叶身以及中心轴部位的散热通道，同时在涡轮叶片叶缘部位建立快速散热通道，使热量只能由中心轴沿径向通过叶身向叶缘流动，并通过叶缘辐射到外部，从而迫使金属晶体沿热流逆方向生长，形成柱状晶粒，消除横向晶界。

所述制壳过程中模壳厚度的控制，是指在常规浆料涂挂、淋砂程序中，添加包括保留浮砂、中间层灌浆加厚在内的特殊工序，增加涡轮叶片叶身与中心轴表面的模壳厚度，最终使中心轴与叶身部位的模壳分别达到9mm和6.5mm；通过除尽浮砂，刮除背层模壳的方法，降低涡轮叶片叶缘部位模壳厚度，最终使叶缘部位模壳厚度减少到2mm，扩大叶片叶缘部位与叶片叶身与中心轴表面的模壳的厚度差；模壳材料一般选用刚玉，莫来石等耐火材料，高温下厚度是模壳散热能力的最大影响因素。

所述制壳过程，是指常规精密铸造模壳制备工艺：

①浆料涂挂：将模组浸入浆料桶中，使浆料与模组润湿；

②淋砂：将涂挂好的模组在淋砂机中淋砂；

③重复①、②，直至模组的模壳达到相应厚度。

(3)模壳达到相应厚度后，实施脱蜡、焙烧，其中，脱蜡、焙烧皆为常规的精密铸造工艺。

本发明与现有技术相比，其优势在于：

1、所述充型装置采用球形模头，其收得率(金属利用率)高于传统模头，且空间结构更加紧凑，利于减小真空熔炼炉的真空室尺寸，减少抽真空时间，提高生产率，降低了成本。

2、所述充型装置在金属液浇注充型时，液态高温合金从柱形浇道进入球形模头型腔，球形模头型腔被快速充满，随后各个涡轮叶片型腔几乎同时开始充型，且充型压力相差较小，所以制备的涡轮叶片品质稳定，均匀性较高。

3、在每个涡轮叶片型腔内形成稳定的沿径向的温度梯度，使金属晶体从涡轮叶片叶缘沿叶身向中心轴生长，形成柱状晶，消除了横向晶界，大大提高了涡轮增压器涡轮叶片的高温蠕变与热疲劳性能。

附图说明：

图1为本发明所述涡轮叶片定向凝固充型装置蜡模组装示意图，其中，1、圆柱形浇道蜡模，2、直浇道蜡模,3、涡轮叶片蜡模,4、球形模头蜡模。

图2为本发明所述涡轮叶片定向凝固充型装置模壳型腔示意图，其中，5、圆柱形浇道，6、直浇道，7、涡轮叶片，8、模壳，9、球形模头；由图可见，各个涡轮叶片7型腔外部互相分离，即在浇注充型后，其温度场互相独立；浇注时，球形模头9的型腔由于体积较小，先于各个涡轮叶片7型腔充型，随后由球形模头9型腔通过直浇道6向各个涡轮叶片7型腔充型，且充型压力相近。

图3a是涡轮叶片型腔平行于中心轴的剖面图(纵切面)，图3b是涡轮叶片型腔垂直于中心轴的剖面图(横切面)，其中，10、涡轮叶片叶缘，11、叶身，12、中心轴；由图3a及图3b可见，通过本发明所述模壳制备方法的优化，涡轮叶片叶缘10部位的模壳厚度值约等于叶身11与中心轴12等部位的厚度值的30％。

图4是应用本发明所述涡轮叶片精密铸造定向凝固充型装置及制备方法所获得的涡轮叶片的宏观组织照片，能够观测到涡轮叶片在径向上的组织为典型的柱状晶。

具体实施方式

应用本发明所述涡轮叶片精密铸造定向凝固充型装置实施蜡模组装，在球形模头蜡模4的球面上组装了8枚涡轮叶片蜡模3，各个涡轮叶片蜡模3按圆柱形浇道蜡模1中心轴对称，且各个涡轮叶片蜡模3之间距离较大，随后实施浆料涂挂、淋砂进行制壳，在每两层之间，保留叶身11及中间轴12部位的浮砂，并在中间层实施数次灌浆加厚处理，最终使叶身11部位厚度达到6.5mm，中心轴12部位厚度达到9mm；同时，在叶缘10部位，只保留3层的、厚2mm的模壳，之后的背层模壳全部在干燥之前刮除。模壳经脱蜡、焙烧后，实施浇注，浇注充型后，涡轮叶片7型腔内液态金属的热量只能通过涡轮叶片叶缘10部位的模壳传递到炉体中，叶缘10部位的液态金属首先获得过冷度，即金属晶体首先在涡轮叶片叶缘10部位形核，同时，涡轮叶片7型腔内在热流的方向上形成了稳定的温度梯度，其方向由中心轴12沿径向通过叶身11，指向叶缘10，从而诱导叶缘10部位形核的晶粒沿着温度梯度的逆方向生长，即固液界面随着过冷区域向高温区域的移动而沿着叶身11向中心轴12推进，形成柱状晶；应当说明的是，叶缘10部位的模壳厚度越薄、越均匀，其整个边缘获得的初生晶粒便越均匀、细小，从而最终形成的柱状晶便越低小、致密，涡轮叶片的高温力学性能也相应提高；金属冷却后，经震壳，切割，取下涡轮叶片。

应用本发明制备涡轮叶片，收得率(金属利用率)为80％，而传统精密铸造收得率约为50％，且应用本发明制备的涡轮叶片品质均一性更高。

经腐蚀后，观察其晶粒形状，在径向上观测到典型的柱状晶组织，如图4所示。

经试用，应用本发明制备的涡轮叶片使用寿命较传统等轴晶涡轮叶片提高了30％，且工作温度提高约15℃。

最后说明的是，本发明还可以有其他实施方式，比如用柱状模头替代球形模头9，涡轮叶片蜡模3组装位置变换、数量增减等等。凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案，均在本发明的保护范围内。