[发明专利]一种窄弦薄壁超长型低涡工作叶片的晶粒度控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及航空发动机叶片精密铸造技术领域，特别涉及低涡工作叶片的晶粒度控制方法。

背景技术：

一种窄弦薄壁超长型低涡工作叶片具体是指叶身长度为180mm以上、叶型最大厚度尺寸为2～3mm、弦长尺寸为24mm～27mm、进排气边半径在0.25mm～0.6mm之间的叶片。

一般细化晶粒有三种方法：振动、变质处理和增大过冷度。振动是指机械振动、电磁搅拌、超声波振动；变质处理是指在液态金属中加入某些杂质，作为外来形核，进行非自发形核，以达到细化晶粒的目的，但振动和变质处理受设备和适用范围限制，应用空间小，且具有针对性；增大过冷度是工业上比较常见且简单实用的晶粒细化方法，是指在液态金属结晶时，提高冷却速度，增大过冷度，来促发形核，形核数量愈多，则晶粒越细。

一般提高浇注后的合金液冷却速度可以通过改变铸造条件，如降低浇注温度、提高铸型吸热能力和导热性能、强制冷却、低温慢速浇注来实现，以上提高合金液冷却速度方式适用于薄、小零件，若用于薄壁细长型叶片，将造成叶片欠铸、冷隔，热裂和疏松等铸造缺陷，致使叶片铸造合格率极低，制造成本较大。

发明内容：

本发明的目的是提供了一种通过控制热场改变合金液冷却凝固速率的方法，在适当的浇注温度下，消除了窄弦、薄壁、超长型低压涡轮工作叶片晶粒度超差问题，本方法的目的是通过下述步骤实现的：

一种窄弦薄壁超长型低涡工作叶片的晶粒度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定浇注温度：采用1500℃±10℃的浇注温度进行叶片浇注。

对于叶型排气边半径为0.25mm，进气边半径0.4mm，叶型最大厚度平均2mm、弦宽平均为25mm、叶身长为190mm的低涡工作叶片来说，浇注温度低于1490℃时，叶片排气边欠铸、冷隔发生率高，叶片内部疏松严重。当浇注温度高于1520℃时，晶粒粗大且伴有柱状晶。当采用1500℃±10℃的浇注温度进行叶片浇注时，不但有效控制了铸造缺陷的发生，同时可获得较小的晶粒度尺寸。

(2)确定浇注后模壳冷却速度：浇注完成瞬间开始计时，模壳停放30秒后，将其下拉至铸型室，然后将铸型室破真空并打开铸型室冷却，直到进行下一组模壳浇注前出炉。

一般叶片浇注完，装满合金液的模壳被停放到熔炼室浇注位置上静置大于5分钟后停放至铸型室，在铸型室内一直冷却到下一组模壳开始浇注，再出炉冷却，此过程合金液冷却缓慢。为了缩短炉内停放时间，达到快速冷却的目的，验证了浇注后的模壳静置时间长短对叶片质量的影响，试验发现静置时间减少至30S对叶片质量无影响。从合金液浇注完开始，经模壳停放30S后，到打开铸型室1分钟之内即可完成，打开铸型室以后，合金液与大气相通，在大气环境下开始快速冷却。合金液温度不断降低，当温度低于理论结晶温度时，形成过冷度，随着冷却速度的加快，过冷度增大，形核率和长大速率都增大，当形核率大于长大速率时，晶粒得以细化。

本方法的优点是：只需改变模壳炉内冷却时间，不需进行设备改造和其它强冷措施，不需增加额外成本和能源消耗，操作简单、方便、安全、无污染。

具体实施方式：

一种窄弦薄壁超长型低涡工作叶片的晶粒度控制方法，其步骤：

(1)确定浇注温度：叶片浇注前，采用热电偶测温，将熔液温度控制在1500℃±10℃，进行叶片浇注。

(2)确定浇注后的冷却速度：叶片浇注完成后，计时30秒后，通过设备操作，将模壳下拉至铸型室，然后将铸型室破真空，打开铸型室，使模壳内的合金液与大气相通，在大气环境下开始快速冷却。

实例：

以某型发动机低压涡轮工作叶片晶粒度超差控制为例：该型叶片尺寸总长约214mm，叶身部分长约190.5mm，叶型最大厚度1.90～3.05mm，叶型进气边半径为0.4mm～0.6mm，排气边半径为0.24～0.30mm，弦长为24.9mm～27.8mm，是典型的窄弦薄壁超长型等轴晶涡轮工作叶片，铸件验收技术条件要求叶身晶粒尺寸不大于2.82mm，横向柱状晶不大于3×0.75mm，实际生产中，叶身晶粒尺寸大于5mm，柱状晶尺寸大于7mm。