一种复杂高温合金多联导向叶片铸件的铸造成型工艺的制作方法

本发明涉及一种复杂高温合金多联导向叶片铸件的铸造成型工艺，属于精密铸造技术领域。

背景技术：

高温合金又称为耐热合金、超合金，是指在600℃以上及应力作用下，具有长时间抗蠕变能力、高强度、耐腐蚀的金属材料，基于其在高温工作环境下的突出性能，高温合金被广泛应用在航空发动机及燃气轮机的热端——动力涡轮部分。导向叶片(静叶片)作为热端典型铸件，多采用复杂薄壁多叶片联体结构，整体结构厚度变化较大，长期工作在极端高温、复杂载荷、氧化气氛及腐蚀燃气的环境下，因此不论在尺寸精度要求上，还是铸件内部质量上都提出了极高的要求。由于铸件浇注过程中金属液充型紊流，各叶片型壳的充型完成时间不一，冷却热节部位散热不良，冷却状态复杂，导致成品率低于30％。

航空发动机及燃气轮机动力涡轮部分导向叶片(静叶片)属于发动机中的动力涡轮部分。导向叶片主要由大缘板、叶身和小缘板组成，多联导叶具备如下特点：1、叶身部分属于无余量精密铸造，叶型制造精度极高；多只叶片联体结构(常见双联、三联，四联、五联结构等等)导致铸件受阻收缩，各部位凝固收缩不同，给尺寸控制带来极大难度；铸件整体轮廓尺寸较大，叶身、大小缘板厚度差异极大，最厚处26mm，最薄处仅0.9mm，完整充型难度较大，且铸件热节多，会产生疏松、缩孔等铸件内部或表面的铸造缺陷因此如何控制工艺来减少铸件缺陷提高成品率是亟待解决的难题。

技术实现要素：

为解决现有多联导向叶片的铸造成型工艺铸造的铸件内部或表面存在诸多铸造缺陷而导致成品率较低的问题，本发明提供了一种复杂高温合金多联导向叶片铸件的铸造成型工艺，采用的技术方案如下：

本发明的目的在于提供一种高温合金多联导向叶片铸件的铸造成型工艺，所述多联导向叶片包括大缘板、小缘板和叶身，该铸造成型工艺包括如下步骤：

步骤一：用压蜡机向金属模具中注入蜡料，制备成多联导向叶片铸件本体蜡模，将铸件本体蜡模与浇冒系统组焊在一起，获得模组；

步骤二：在恒温恒湿室对模组进行耐火涂料的逐层涂挂，制备成型壳；

步骤三：将型壳送入脱蜡釜进行脱蜡；

步骤四：将脱蜡后的型壳送入焙烧炉进行高温预焙烧，高温预焙烧温度为1050±20℃；

步骤五：在经过步骤四高温预焙烧处理后的型壳外部采用阶梯型的方式包裹并绑紧耐火保温棉；所述阶梯型的方式是在冒口及浇道位置包裹并绑紧两层耐火保温棉，在铸件的大缘板至铸件中间位置包裹并绑紧一层耐火保温棉，铸件下半部分不包裹耐火保温棉；所述耐火保温棉的单层厚度为3mm-10mm；

步骤六：使用真空感应熔炼炉对高温合金棒材进行重熔冶炼，得高温合金金属液；

步骤七：在浇注前，再次将经过步骤五处理后的型壳送入焙烧炉，进行1050±20℃的高温终焙烧，之后送入真空感应浇注炉内，将步骤六制得的高温合金金属液浇注进型壳中，浇注温度1500±10℃；

步骤八：浇注完成后，在真空状态下保温5min-10min，随后出炉冷却；

步骤九：经过清壳、切割、喷砂和打磨得到高温合金多联导向叶片铸件。

优选地，步骤一所述的浇冒系统采用随形浇冒口。

更优选地，所述随形浇冒口的内浇口部分设置在与多联导向叶片铸件的各只叶片位置相对应的大缘板上。

优选地，步骤三所述脱蜡是在压力为0.4mpa～0.6mpa、温度为140℃～160℃下进行的。

优选地，步骤七中型壳从焙烧炉出炉直至浇注完成用时不大于8分钟。

优选地，步骤六所述重熔冶炼是在开化真空度、冶炼真空度和浇注真空度均不大于0.665pa，出钢温度为1560±20℃，浇注温度为1500±10℃的条件下进行的。

优选地，步骤一中在铸件本体蜡模的大缘板和小缘板之间阻焊有两根拉筋；所述两根拉筋阻焊在叶型厚大的进气道一侧。

优选地，步骤二所述进行耐火涂料的逐层涂挂按照如下条件进行：

第一层以粘度为35s-45s的硅溶胶和铝酸钴的混合料作为涂料进行涂挂，然后再撒一层100-120目白刚玉，自然干燥至少17h；

第二层以粘度为8s-13s的硅溶胶和白刚玉混合料作为涂料进行涂挂，然后再撒一层100目-120目白刚玉，自然干燥至少17h；

第三层以粘度为8s-13s的硅溶胶和铝矾土混合料作为涂料进行涂挂，然后再撒一层30目-60目铝矾土，自然干燥0.5h-1h后风干2h-3h；

第四层以粘度为8s-13s的硅溶胶和铝矾土混合料作为涂料进行涂挂，然后再撒一层16目-30目铝矾土，风干2.5h-3h；

第五层至第十一层与第四层处理相同；

第十二层以粘度为8s-13s的硅溶胶和铝矾土混合料作为涂料进行涂挂，不撒砂，风干至少12h；

第一层和第二层在涂挂期间控制恒温恒湿室的温度为18℃-22℃，湿度为60％-80％，其余各层在涂挂期间控制恒温恒湿室的温度为20℃-25℃，湿度为40％-60％。

本发明的复杂高温合金多联导向叶片的铸造成型工艺是一种可顺序控制高温合金定向凝固的方法，利用：1、使用焙烧炉将型壳加热，以提高型壳温度，来改善金属液浇入型壳后金属液的充型特性。2、采用阶梯型(在冒口及浇道位置包裹并绑紧两层耐火保温棉，在铸件的大缘板至铸件中间位置包裹并绑紧一层耐火保温棉，铸件下半部分不包裹耐火保温棉)在型壳外包裹保温耐火棉的方式来控制金属凝固的顺序，使铸件顺序凝固，以消除或减少铸造缺陷的产生；3、采用合理的熔炼温度、浇注温度及真空炉抽真空指标来最大程度的保证复杂高温合金多联导向叶片的铸造成型；

本发明有益效果：

1.浇冒系统采用采用随形浇冒口，随形浇冒口根据导向叶片的结构特性进行设计，有针对性地对各叶型加强高温合金的补缩及充型能力，且减小了大缘板部位铸件冷却后所受到应力，减少或避免产生缩孔、缩松等铸造缺陷的可能。

2.采用阶梯型在型壳外包裹保温棉，即在冒口及浇道位置包裹并绑紧两层耐火保温棉，在铸件的大缘板至铸件中间位置包裹并绑紧一层耐火保温棉，铸件下半部分不包裹耐火保温棉，这样能够使铸件下端最先冷却，铸件中段其次冷却，冒口最后冷却，顺序凝固，加强补缩效果，减少铸造缺陷。

3.现有技术浇注温度一般设定为1460±10℃，现优化浇注温度为1500±10℃，配合型壳终焙烧温度1050±20℃，能够有效的加强铸件薄叶型及薄壁处的成型及补缩效果。

4.在铸件叶型厚大一侧(进气边侧)加拉筋，有效的降低铸件应力变形。

5.本发明有效解决了多联复杂结构的高温合金铸件的浇注成型，减少或消除了热节叶片与小缘板连接位置易于产生的疏松及裂纹等铸造缺陷，将成品率由30％提升至75—80％。

附图说明

图1为采用阶梯型在型壳外包裹耐火保温棉的照片。

图2为型壳终焙烧后的出炉照片。

图3为型壳在真空炉内浇注完成后的出炉照片。

图4为本发明的复杂高温合金多联导向叶片铸件的铸件及浇注系统示意图。

图5为实施例1所制备的高温合金多联导向叶片铸件的x光检测片子。

图6为对照组所制备的高温合金多联导向叶片铸件的x光检测片子。

图7为对照组所制备的高温合金多联导向叶片铸件的x光检测片子铸造缺陷处局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种复杂高温合金多联导向叶片的铸造成型工艺，该多联导向叶片包括大缘板、小缘板和叶身，该工艺包括如下步骤：

步骤一：用压蜡机向金属模具中注入蜡料，制备成铸件本体蜡模，将铸件本体蜡模与浇冒系统组焊在一起，获得模组；

步骤二：在恒温恒湿室对模组进行耐火涂料的逐层涂挂，制备成型壳；具体要求如表1所示；

步骤三：将型壳送入脱蜡釜在压力为0.4mpa～0.6mpa、温度为140℃～160℃下进行脱蜡；

步骤四：将脱蜡后的型壳送入焙烧炉进行高温预焙烧，高温预焙烧温度为1050±20℃；

步骤五：在经过步骤四高温预焙烧处理后的型壳外部采用阶梯型的方式包裹并绑紧耐火保温棉；所述阶梯型的方式是在冒口及浇道位置包裹并绑紧两层耐火保温棉，在铸件的大缘板至铸件中间位置包裹并绑紧一层耐火保温棉，铸件下半部分不包裹耐火保温棉，耐火保温棉的单层厚度为5mm；采用阶梯型在型壳外包裹耐火保温棉的照片如图1所示；

步骤六：使用真空感应熔炼炉对高温合金棒材在开化真空度、冶炼真空度和浇注真空度均为0.665pa，出钢温度为1560±20℃，浇注温度为1500±10℃的条件下进行重熔冶炼，得高温合金金属液；

步骤七：在浇注前，再次将经过步骤五处理后的型壳送入焙烧炉，进行1050±20℃的高温终焙烧，型壳终焙烧后的出炉照片如图2所示，之后送入真空感应浇注炉内，将步骤六制得的高温合金金属液浇注进型壳中，浇注温度1500±10℃；型壳从焙烧炉出炉直至浇注完成用时不大于8分钟；型壳在真空炉内浇注完成后的出炉照片如图3所示；

步骤八：浇注完成后，在真空状态下保温5min-10min，随后出炉冷却；

步骤九：经过清壳、切割、喷砂和打磨得到高温合金多联导向叶片铸件。

表1型壳制备过程中耐火材料涂挂条件和干燥室温湿度要求

第一层和第二层在涂挂期间控制恒温恒湿室的温度为18℃-22℃，湿度为60％-80％，其余各层在涂挂期间控制恒温恒湿室的温度为20℃-25℃，湿度为40％-60％。涂挂过程中每层都是先涂一层涂料再撒一层砂。

作为本实施例的一种优选方案，如图4所示，步骤一中在铸件本体蜡模的大缘板和小缘板之间阻焊有两根拉筋；两根拉筋阻焊在叶型厚大的进气道一侧。通过在铸件叶型厚大一侧(进气边侧)加拉筋，可以有效的降低铸件应力变形。

本实施例制备获得的高温合金多联导向叶片铸件各处无明显缩孔、疏松及裂纹等铸造缺陷，整体质量较好，成品率高达80％，克服了多联导向叶片的加工工艺难以控制、出现较多铸造缺陷导致成品率低的难题。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五：耐火保温棉的单层厚度为3mm。

本实施例制备获得的高温合金多联导向叶片铸件各处无明显缩孔、疏松及裂纹等铸造缺陷，整体质量较好，成品率高达78％，克服了多联导向叶片的加工工艺难以控制、出现较多铸造缺陷导致成品率低的难题。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：步骤五：耐火保温棉的单层厚度为10mm。

本实施例制备获得的高温合金多联导向叶片铸件各处无明显缩孔、疏松及裂纹等铸造缺陷，整体质量较好，成品率高达75％，克服了多联导向叶片的加工工艺难以控制、出现较多铸造缺陷导致成品率低的难题。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：浇冒系统采用随形浇冒口，随形浇冒口的内浇口部分设置在与多联导向叶片铸件的各只叶片位置相对应的大缘板上。可以使得各叶型加强高温合金的补缩及充型能力，且减小了大缘板部位铸件冷却后所受到应力，减少或避免产生缩孔、缩松等铸造缺陷的可能。

本实施例制备获得的高温合金多联导向叶片铸件各处无明显缩孔、疏松及裂纹等铸造缺陷，整体质量较好，成品率高达80％，克服了多联导向叶片的加工工艺难以控制、出现较多铸造缺陷导致成品率低的难题。

为说明阶梯型包裹型壳所能够获得的效果，本发明还以没有采用阶梯型的方式在型壳外部包裹保温棉(即在型壳外部没有包裹任何保温棉)且其他步骤与实施例1相同的技术方案作为对照组，将实施例1和对照组所制备的高温合金多联导向叶片铸件采用x光检验对铸件内部质量进行了检测，实施例1所制备的高温合金多联导向叶片铸件的x光检测片子如图5所示；对照组所制备的高温合金多联导向叶片铸件的x光检测片子如图6所示。从图5中可以清晰看到铸件无明显铸造缺陷，质量良好。图6的x光检验片子中小缘板与叶片连接转角处出现大范围缩孔，出现铸造缺陷，缺陷处局部放大图如图7所示。由此可知：本发明通过采用阶梯型的方式在型壳外部包裹保温棉可以加强补缩效果，减少铸造缺陷，提高成品率。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。