[发明专利]一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法。

背景技术

随着航空燃气涡轮发动机推重比(功重比)的不断提升，涡轮前温度愈来愈高，促使单晶高温合金气冷涡轮叶片的内腔结构设计更加复杂，叶片壁厚越来越薄，并采用薄尾缘结构以减少气动损失。在薄壁结构条件下单晶高温合金的性能是否会发生变化，能否达到标准试样的性能，即单晶高温合金是否具有薄壁效应，这对于单晶高温合金涡轮叶片的可靠性设计和长寿命使用都极为重要。

国内外对单晶高温合金薄壁效应的研究工作，均采用对较厚的大块金属进行机加工的方法制备薄壁试样，然后进行力学性能测试，未见更接近单晶高温合金气冷涡轮叶片表面状态的精密铸造薄壁试样。实际涡轮叶片薄壁位置的表面大多不经机加工，其中涡轮叶片外表面经吹砂处理，内腔表面为铸态表面。因此，研究单晶高温合金的薄壁效应首要的问题是制备出熔模精密铸造薄壁试样，要求熔模精密铸造薄壁试样中间的工作端部位(有效承受载荷区域)应尽量避免机加工，保证工作端的表面状态与实际涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致。

单晶高温合金精铸薄壁试样的制备采用熔模精密铸造工艺与定向凝固技术，整个工艺过程主要包括陶瓷型芯制备、蜡模制备、型壳制备、定向凝固等工序。在蜡模制备过程中，当压制蜡模的厚度小于1mm时，蜡模强度低，若无型芯支撑，蜡模在从模具中取出、修整以及型壳涂壳过程中极易发生变形，导致最终制备出的单晶高温合金精铸薄壁试样变形量大、甚至弯曲和翘曲，无法满足力学性能测试对薄壁试样平行度、同轴度的要求；在型壳制备过程中，虽然增加涂壳层数有利于提高型壳的高温强度，但涂壳层数过多会明显降低型壳的溃散性、增大薄壁试样的凝固残余应力，精铸薄壁试样在热处理过程中易产生再结晶，导致精铸薄壁试样报废；在定向凝固过程中，当上、下加热器的温度较低、型壳保温时间过短时，合金金属液在型壳中的流动性降低，易出现薄壁试样铸件浇不足、欠铸等问题，当抽拉速度控制不合理时，薄壁试样易产生杂晶、大角度晶界等缺陷。采用传统的对较厚的大块金属进行机加工的方法制备单晶高温合金薄壁试样，试样表面存在一层机加工应力层，试样的表面状态与实际涡轮叶片薄壁位置的表面状态相差很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种可完全避免蜡模在取模、修整过程中变形和定向凝固过程中浇不足、欠铸以及铸件产生杂晶、再结晶等问题的熔模精密铸造单晶高温合金薄壁试样的制备方法。

本发明的技术解决方案是，在蜡模制备过程中，将板形陶瓷型芯放入模具中，用陶瓷型芯做蜡料的支撑，合上模具，向模具中注射蜡料，蜡料注射压力5bar～8bar、蜡料温度60℃～80℃、保压时间60s～120s，在板形陶瓷型芯两侧形成一定厚度的蜡模，使蜡模紧密贴附在陶瓷型芯表面，根据设计薄壁试样的厚度，对陶瓷型芯两侧的蜡模进行机加工减薄，制备出薄壁试样蜡模，将薄壁试样蜡模组成模组后涂壳制备型壳，在真空感应单晶炉内完成定向凝固浇注，由此制备出单晶高温合金精铸薄壁试样。

在对陶瓷型芯两侧的蜡模进行机加工减薄时，采用数控机床进行铣削加工的方法，控制主轴转速500r/min～6000r/min、进给速度30mm/min～450mm/min、轴向切削深度0.03mm～0.5mm。

在定向凝固过程中，控制上加热器温度1540℃～1560℃、下加热器温度1560℃～1580℃、型壳保温时间10min～20min、浇注温度1540℃～1580℃、抽拉速度2mm/min～6mm/min。

在涂壳制备型壳过程中，涂壳的层数控制在3层～5层。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用熔模精密铸造的方法制备单晶高温合金薄壁试样，试样表面为铸造状态表面，使得薄壁试样的表面状态与实际涡轮叶片薄壁位置的表面状态一致。本发明提出用陶瓷型芯做蜡料的支撑、根据设计薄壁试样的厚度对陶瓷型芯两侧的蜡模进行数控铣削加工减薄，避免了蜡模在从模具中取出、修整以及型壳涂壳过程中的变形，以及单晶高温合金精铸薄壁试样的弯曲和翘曲。本发明针对单晶高温合金精铸薄壁试样壁厚薄的特点，在保证型壳强度的前提下，提出在涂壳制备型壳过程中涂壳的层数控制在3层～5层，从而提高型壳的溃散性，降低薄壁试样的凝固残余应力，进而降低精铸薄壁试样在热处理过程的再结晶发生率。本发明控制单晶高温合金精铸薄壁试样定向凝固过程中的加热器温度、浇注温度与抽拉速度，有利于提高合金金属液在型壳中的流动性，避免了薄壁试样铸件浇不足、欠铸等问题，降低了薄壁试样产生杂晶、大角度晶界等缺陷的风险。

附图说明