叶片铸造方法

申请号 CN201510945288.4 申请日 2015-12-17 公开(公告)号 CN106890965A 公开(公告)日 2017-06-27
申请人 青岛三同德金属制品有限公司; 发明人 赵振荣;
摘要 本 发明 公开了一种 叶片 的 铸造 方法,采用精密铸造的方法铸造叶片,其步骤包括模具设计、模具制造,原料熔炼,下料准备, 离心铸造 ,第一次冷却,第二次成型,第二次冷却,切边和 喷砂 ,热 等静压 等。通过上述工序保证了 发动机 叶片表面和内部 缺陷 的良好的消除率且内部微观组织更加均匀。
权利要求

1.一种叶片铸造方法,其特征在于,包括模具设计、模具制造,原料熔炼,下料准备,离心铸造,第一次冷却,第二次成型,第二次冷却,切边和喷砂,热等静压步骤;所述叶片为发动机叶片,其材质为合金,所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为45~48%的铝、
5~6.8%的铌、3.1~4.2%的镁、V:1.2~1.5%,Ta:0.002~0.008%、0.10~0.28%的,余量为钛和不可避免的杂质;所述模具设计的步骤为,采用溶性型芯,采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型,采用现有快速成型工艺进行快速成型,激光烧结逐层烧结直径小于0.1mm的聚苯乙烯粉,再浸蜡后制得熔模,然后对熔模进行表面与内部的清洗;所述模具制造的步骤为,将熔模浸入到面层涂料中沾浆30~45s后取出,然后进行面层的撒砂、干燥得到模壳,将模壳放入加热炉中,在温度为380~500℃中保温2.5~3h,然后继续升温为820~870℃,保温2.5~3h,继续升温为1050~1150℃,保温2.5~3h,然后随炉冷却到室温,得到模具;所述原料熔炼的步骤为,将待熔炼的原材料放入坩埚中,将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内,先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗,最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-5~10-3mbar进行熔炼,熔炼完成后保温10~15min,使得原料中的各元素均匀;所述下料准备的步骤为,用包裹模具制造步骤得到的模具,进行预热后下料,所述预热的温度为400~610℃;所述离心铸造的工艺参数为,离心转速为195rpm~
385rpm,浇铸时间为6~8s;所述第一次冷却的步骤为,出炉空冷,将型芯溶出后,清洗零件并烘干;所述第二次成型的步骤为,将第一次冷却后得到的铸件放入预热到910~990℃的模具中,然后在加热炉内加热到1050~1150℃,然后进行离心铸造,离心转速为195rpm~
385rpm;所述第二次冷却的步骤为,出炉空冷;所述切边和喷砂的步骤为,采用机械方法清除型壳,将浇铸系统切除,用高压水切掉工艺边,进行喷砂处理;所述热等静压的步骤为,热等静压的温度为950~990℃,热等静压的压为100~180MPa,保压时间为3~6小时。
2.根据权利要求1所述的叶片的铸造方法,其特征在于,所述坩埚为水冷坩埚。
3.根据权利要求1所述的叶片的铸造方法,其特征在于,所述的惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗为,先将坩埚熔炼室抽真空至10-5~10-3mbar,然后充入氩气至10~
14mbar,然后再抽真空至10-5~10-3mbar,如此反复共4~8次。
4.根据权利要求1所述的叶片的铸造方法,其特征在于,所述面层涂料为化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的。
5.根据权利要求4所述的叶片的铸造方法,其特征在于,所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.8~4.2:1:0.0004~0.001:0.0006~
0.0012。

说明书全文

叶片铸造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铸造领域,具体涉及发动机叶片的精密铸造方法。

背景技术

[0002] 合金密度小,比强度高,耐腐蚀,由于该一系列优异的特性,被广泛地应用于航空航天工业、能源工业、海上运输工业等方面。欧洲航天局也曾启动了航空研究计划,就是旨在掌握钛基合金航空发动机叶片和燃气轮机叶片。飞机发动机推重比是评价现代飞机发动机的主要指标之一,它对飞机性能有着决定性的作用。当前应用于发动机叶片的时候,较为常见的成型方法为精密铸造方法。采用熔模精密铸造工艺制备TiAl基合金构件,特别是形状复杂的构件,可得到无余量或近无余量的精密复杂构件,大幅度减少金属损耗,提高材料的利用率,减少大量机加工工时,大幅度降低生产成本。
[0003] 目前使用较多的钛合金精密铸造用型壳,大致可分为:石墨型壳、钨面层陶瓷型壳、化物陶瓷型壳等。但是由于模具形成方式的不足以及铸造过程的参数设计不合理,导致成型后的零件表面和内部缺陷均比较多。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提出一种叶片的铸造方法;为达此目的,本发明采用以下技术方案:一种叶片的铸造方法,包括模具设计、模具制造,原料熔炼,下料准备,离心铸造,第一次冷却,第二次成型,第二次冷却,切边和喷砂,热等静压步骤;所述叶片为发动机叶片,其材质为钛铝铌合金,所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为45~48%的铝、5~6.8%的铌、3.1~4.2%的镁、V:1.2~1.5%,Ta:0.002~0.008%、0.10~0.28%的,余量为钛和不可避免的杂质;
[0005] 所述模具设计的步骤为,采用溶性型芯,采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型,采用现有快速成型工艺进行快速成型,激光烧结逐层烧结直径小于0.1mm的聚苯乙烯粉,再浸蜡后制得熔模,然后对熔模进行表面与内部的清洗;
[0006] 所述模具制造的步骤为,将熔模浸入到面层涂料中沾浆30~45s后取出,然后进行面层的撒砂、干燥,得到模壳,将模壳放入加热炉中,在温度为380~500℃中保温2.5~3h,然后继续升温为820~870℃,保温2.5~3h,继续升温为1050~1150℃,保温2.5~3h,然后随炉冷却到室温,得到模具;
[0007] 所述原料熔炼的步骤为,将待熔炼的原材料放入坩埚中,将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内,先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗,最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-5~10-3mbar进行熔炼,熔炼完成后保温10~15min,使得原料中的各元素均匀;
[0008] 所述下料准备的步骤为,用包裹模具制造步骤得到的模具,进行预热后下料,所述预热的温度为400~610℃;
[0009] 所述离心铸造的工艺参数为,离心转速为195rpm~385rpm,浇铸时间为6~8s;
[0010] 所述第一次冷却的步骤为,出炉空冷,将型芯溶出后,清洗零件并烘干;所述第二次成型的步骤为,将第一次冷却后得到的铸件放入预热到910~990℃的模具中,然后在加热炉内加热到1050~1150℃,然后进行离心铸造,离心转速为195rpm~385rpm;所述第二次冷却的步骤为,出炉空冷;所述切边和喷砂的步骤为,采用机械方法清除型壳,将浇铸系统切除,用高压水切掉工艺边,进行喷砂处理;
[0011] 所述热等静压的步骤为,热等静压的温度为为950~990℃,热等静压的压100~180MPa,保压时间为3~6小时。
[0012] 作为优选,所述坩埚为水冷坩埚。
[0013] 作为优选,所述的惰性气体对坩埚熔炼室进行4~8次的冲洗为,先将坩埚熔炼室抽真空至10-5~10-3mbar,然后充入氩气至10~14mbar,然后再抽真空至10-5~10-3mbar,如此反复共4~8次。
[0014] 作为优选,所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的。
[0015] 作为优选,所述面层涂料中氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例为3.8~4.2:1:0.0004~0.001:0.0006~0.0012。
[0016] 作为优选,所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛。作为优选,热等静压之后还包括退火步骤,所述退火步骤为将热等静压之后的叶片在退火炉中加热到680~710℃,保温60~180min后,出炉空冷直至室温。
[0017] 本发明的效果在于:通过特定的模具制造和设计过程,使得模具符合发动机叶片的特定需求;通过离心铸造参数的设定,使得内部缺陷得到很好的消除;通过二次成型和二次冷却,使得内部组织均匀稳定且使得内部缺陷得到非常好的消除,并且保证了表面缺陷的良好的消除率;热等静压参数的设定使得内部微观组织更加均匀;通过特定温度和时间的退火处理,使得发动机叶片具有良好的强度和韧性。

具体实施方式

[0018] 实施例1
[0019] 叶片的铸造方法,包括模具设计、模具制造,原料熔炼,下料准备,离心铸造,第一次冷却,第二次成型,第二次冷却,切边和喷砂,热等静压步骤;
[0020] 所述叶片为发动机叶片,其材质为钛铝铌合金,所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为46%的铝、5.8%的铌、3.8%的镁、V:1.25%,Ta:0.0028%、0.18%的碳,余量为钛和不可避免的杂质;
[0021] 所述模具设计的步骤为,采用水溶性型芯,采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型,采用现有快速成型工艺进行快速成型,激光烧结逐层烧结平均直径为0.08mm的聚苯乙烯粉,再浸蜡后制得熔模,然后对熔模进行表面与内部的清洗;
[0022] 所述模具制造的步骤为,将熔模浸入到面层涂料中沾浆35s后取出,然后进行面层的撒砂、干燥,得到模壳,将模壳放入加热炉中,在温度为480℃中保温2.6h,然后继续升温为850℃,保温2.8h,继续升温为1060℃,保温2.7h,然后随炉冷却到室温,得到模具;所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的;其重量份比例为3.9:1:0.0008:0.0009;
[0023] 所述原料熔炼的步骤为,将待熔炼的原材料放入水冷铜坩埚中,所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝(铌铝中间合金)、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛;将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内,先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行6次的冲洗,先将坩埚熔炼室抽真空至10-5mbar,然后充入氩气至12mbar,然后再抽真空至10-5mbar,如此反复共6次;最终保持坩埚熔炼室的真空度为3x 10-4mbar进行熔炼,熔炼完成后保温14min,使得原料中的各元素均匀;
[0024] 所述下料准备的步骤为,用石棉包裹模具制造步骤得到的模具,进行预热后下料,所述预热的温度为510℃;
[0025] 所述离心铸造的工艺参数为,离心转速为285rpm,浇铸时间为7s;所述第一次冷却的步骤为,出炉空冷,将型芯溶出后,清洗零件并烘干;所述第二次成型的步骤为,将第一次冷却后得到的铸件放入预热到985℃的模具中,然后在加热炉内加热到1080℃,然后进行离心铸造,离心转速为355rpm;所述第二次冷的步骤为,出炉空冷;所述切边和喷砂的步骤为,采用机械方法清除型壳,将浇铸系统切除,用高压水切掉工艺边,进行喷砂处理;所述热等静压的步骤为,热等静压的温度为为980℃,热等静压的压力为160MPa,保压时间为4.5小时。
[0026] 实施例2:
[0027] 叶片的铸造方法,包括模具设计、模具制造,原料熔炼,下料准备,离心铸造,第一次冷却,第二次成型,第二次冷却,切边和喷砂,热等静压步骤;所述叶片为发动机叶片,其材质为钛铝铌合金,所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为48%的铝、5.9%的铌、3.7%的镁、V:1.35%,Ta:0.006%、0.28%的碳,余量为钛和不可避免的杂质;
[0028] 所述模具设计的步骤为,采用水溶性型芯,采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型,采用现有快速成型工艺进行快速成型,激光烧结逐层烧结平均直径为0.09mm的聚苯乙烯粉,再浸蜡后制得熔模,然后对熔模进行表面与内部的清洗;
[0029] 所述模具制造的步骤为,将熔模浸入到面层涂料中沾浆38s后取出,然后进行面层的撒砂、干燥,得到模壳,将模壳放入加热炉中,在温度为490℃中保温2.8h,然后继续升温为860℃,保温2.7h,继续升温为1055℃,保温2.8h,然后随炉冷却到室温,得到模具;所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的;其重量份比例为4.0:1:0.0009:0.0008;
[0030] 所述原料熔炼的步骤为,将待熔炼的原材料放入水冷铜坩埚中,所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝(铌铝中间合金)、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛;将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内,先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行5次的冲洗,先将坩埚熔炼室抽真空至10-4mbar,然后充入氩气至11mbar,然后再抽真空至10-4mbar,如此反复共5次;最终保持-4坩埚熔炼室的真空度为5x 10 mbar进行熔炼,熔炼完成后保温18min,使得原料中的各元素均匀;
[0031] 所述下料准备的步骤为,用石棉包裹模具制造步骤得到的模具,进行预热后下料,所述预热的温度为520℃;
[0032] 所述离心铸造的工艺参数为,离心转速为295rpm,浇铸时间为10s;所述第一次冷却的步骤为,出炉空冷,将型芯溶出后,清洗零件并烘干;所述第二次成型的步骤为,将第一次冷却后得到的铸件放入预热到995℃的模具中,然后在加热炉内加热到1070℃,然后进行离心铸造,离心转速为365rpm;所述第二次冷却的步骤为,出炉空冷;所述切边和喷砂的步骤为,采用机械方法清除型壳,将浇铸系统切除,用高压水切掉工艺边,进行喷砂处理;所述热等静压的步骤为,热等静压的温度为为990℃,热等静压的压力为165MPa,保压时间为4.6小时。
[0033] 实施例3:叶片的铸造方法,包括模具设计、模具制造,原料熔炼,下料准备,离心铸造,第一次冷却,第二次成型,第二次冷却,切边和喷砂,热等静压步骤;所述叶片为发动机叶片,其材质为钛铝铌合金,所述钛铝铌合金的组成按重量百分比为45.2%的铝、6.0%的铌、3.9%的镁、V:1.45%,Ta:0.0068%、0.38%的碳,余量为钛和不可避免的杂质;所述模具设计的步骤为,采用水溶性型芯,采用现有CAD系统设计得到发动机叶片的CAD模型,采用现有快速成型工艺进行快速成型,激光烧结逐层烧结平均直径为0.07mm的聚苯乙烯粉,再浸蜡后制得熔模,然后对熔模进行表面与内部的清洗;所述模具制造的步骤为,将熔模浸入到面层涂料中沾浆42s后取出,然后进行面层的撒砂、干燥,得到模壳,将模壳放入加热炉中,在温度为490℃中保温2.6h,然后继续升温为850℃,保温2.6h,继续升温为1052℃,保温2.6h,然后随炉冷却到室温,得到模具;所述面层涂料为氧化锆、二醋酸锆、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通过搅拌、静置而得到的;其重量份比例为4.1:1:0.0007:0.0007;所述原料熔炼的步骤为,将待熔炼的原材料放入水冷铜坩埚中,所述待熔炼的原材料为纯铝、铌化铝(铌铝中间合金)、纯碳、镁铝中间合金和海绵钛;将坩埚置于真空感应炉的坩埚熔炼室内,先采用惰性气体对坩埚熔炼室进行4次的冲洗,先将坩埚熔炼室抽真空至10-4mbar,然后充入氩气至11mbar,然后再抽真空至10-4mbar,如此反复共4次;最终保持坩埚熔炼室的真空度为10-4mbar进行熔炼,熔炼完成后保温19min,使得原料中的各元素均匀;
[0034] 所述下料准备的步骤为,用石棉包裹模具制造步骤得到的模具,进行预热后下料,所述预热的温度为530℃;
[0035] 所述离心铸造的工艺参数为,离心转速为298rpm,浇铸时间为11s;所述第一次冷却的步骤为,出炉空冷,将型芯溶出后,清洗零件并烘干;所述第二次成型的步骤为,将第一次冷却后得到的铸件放入预热到994℃的模具中,然后在加热炉内加热到1072℃,然后进行离心铸造,离心转速为368rpm;所述第二次冷却的步骤为,出炉空冷;所述切边和喷砂的步骤为,采用机械方法清除型壳,将浇铸系统切除,用高压水切掉工艺边,进行喷砂处理;
[0036] 所述热等静压的步骤为,热等静压的温度为为992℃,热等静压的压力为168MPa,保压时间为4.8小时。
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