降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法與流程
2023-10-22 15:31:57
本發明屬於鑄造領域，涉及一種降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，適用於熔模鑄造用熔模精鑄高溫合金鑄件的型殼製備。
背景技術：
自上個世紀90年代以來，幾乎所有先進航空發動機都採用單晶高溫合金鑄件，如：推重比為10的發動機f119、f120、ge90、ej200、m88-2、p2000等。高強度是定向凝固用矽溶膠型殼的重要特點，這往往導致型殼的退讓性和潰散性差。此外，由於鑄造合金的熱膨脹係數要遠遠大於陶瓷型殼，鑄件的凝固收縮必然被陶瓷型殼阻礙，這導致鑄件的應力集中區域產生塑性變形，貯存一定的內應力。帶有塑性變形的鑄件在高溫熱處理過程中會發生回復和再結晶。由於單晶合金不含或少量含有晶界強化元素，再結晶層成為性能薄弱的區域，這種區域往往對鑄件的高溫力學性能產生一些不利的影響。
為解決這一難題，人們通常從以下方面入手：
(1)在高溫熱處理之前減少或完全消除材料的塑性變形；
(2)採用合適的熱處理制度釋放材料的塑性變形儲存能，減少再結晶驅動力；
(3)在鑄件表面塗敷塗層，增加再結晶界面能；
(4)調整合金成分，在合金中生成第二相粒子，對再結晶晶界形成釘扎，阻礙再結晶進行。
為此採用的具體工藝方法有：
(1)通過腐蝕方法來去除表面變形層；
(2)對鑄件進行預回復熱處理；
(3)對鑄件表面進行滲碳；
(4)鑄件表面施加滲層
上述方法的應用都一定程度上減少鑄件再結晶，但是目前為止真正解決該問題還需要更進一步的工作，主要原因在於鑄造殘餘應力的消除十分困難。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，通過提高型殼退讓性使熔模鑄造過程中鑄件殘餘應力降低，從而抑制熱處理時的局部再結晶，提高鑄件的單晶完整性。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是：
一種降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，包括以下步驟：
第1步，進行蠟膜壓制；
第2步，分別配製面層塗料、過渡層塗料、中間層塗料和背層塗料；
第3步，將第1步中製成的蠟膜依次浸入第2步製得的面層塗料、過渡層塗料、中間層塗料和背層塗料中並撒砂，製成型殼模型；
第4步，對第3步中製成的型殼模型進行蒸氣脫蠟處理；
第5步，將第4步中經過脫蠟處理的型殼在高溫爐中進行焙燒後即得到所需要的複合型殼。
所述的降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，在製備過程中，塗料採用的耐火原料為熔融石英粉或電熔剛玉粉，熔融石英粉或電熔剛玉粉的粒度為320目；撒砂採用的耐火原料為熔融石英砂或電熔剛玉砂，熔融石英砂或電熔剛玉砂的粒度為16～100目。
所述的降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，優選的，熔融石英粉作為型殼的夾層來使用。
所述的降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，第2步中，根據以下步驟進行塗料配製：
(1)用電熔剛玉粉、矽溶膠粘結劑、潤溼劑和消泡劑配製面層塗料，電熔剛玉粉和矽溶膠粘結劑的重量比例範圍為3～4：1，潤溼劑和消泡劑比例為矽溶膠體積的0.4～0.6％，保證料漿粘度在30～35秒；
(2)用電熔剛玉粉和矽溶膠粘結劑配製過渡層塗料，電熔剛玉粉和矽溶膠粘結劑的重量比例為2～3：1，粘度在20～22秒；
(3)用熔融石英粉和矽溶膠粘結劑配製中間層塗料，電熔剛玉粉和矽溶膠粘結劑的重量比例為1～1.5：1，粘度在10～12秒；
(4)用電熔剛玉粉和矽溶膠粘結劑配製背層塗料，電熔剛玉粉和矽溶膠粘結劑的重量比例為1～1.5：1，粘度在10～12秒。
所述的降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，第3步中，根據以下步驟進行塗料塗掛與撒砂：
(1)將第1步製得的蠟膜清洗乾淨後完全浸入第2步中製得的面層塗料後提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂後，進行乾燥處理製得第一層型殼模型；
(2)將乾燥的第一層型殼模型完全浸入第2步中製得的過渡層塗料後提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂後，進行乾燥處理製得第二層型殼模型；
(3)將乾燥的第二層型殼模型完全浸入第2步中製得的中間層塗料後提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂後，進行乾燥處理製得第三層型殼模型，再經過一次相同處理後得到第四層型殼模型；
(4)將乾燥的第四層型殼模型完全浸入第2步中製得的背層塗料後提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂後，進行乾燥處理製得第五層型殼模型，再經過一次相同處理後得到第六層型殼模型；
(5)將乾燥的第六層型殼模型浸入第2步中製得的背層塗料後提出，乾燥後製成所需的型殼模型。
所述的降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，第4步中，蒸氣脫蠟的釜壓力為0.5～0.7mpa，脫蠟時間為10～20分鐘。
所述的降低高溫合金單晶鑄件再結晶傾向性的複合模殼製備方法，第5步中，根據以下步驟進行焙燒：保持焙燒溫度為800～850攝氏度，並保溫1～5h，最後爐冷到小於200攝氏度出爐即得複合模殼。
本發明的優點及有益效果是：
1、本發明採用電熔剛玉和熔融石英兩種材料製備的熔模精鑄用複合型殼，製備方法包括壓制蠟膜、配製面層塗料、過渡層塗料、中間層塗料以及背層塗料，以及將蠟膜依次浸入上述塗料並撒相應的砂子乾燥後製成型殼模型、型殼模型脫蠟和焙燒等五個步驟。該技術解決現有型殼的退讓性和潰散性差的缺點，採用其作為熔模精鑄的模殼後，高溫合金單晶鑄件收縮受阻區的鑄造殘餘應力顯著減小，從而消除後續熱處理所引起的鑄件再結晶缺陷，保證鑄件毛坯的單晶完整性，顯著提高鑄件合格率。
2、本發明通過優化制殼用耐火材料來提高型殼退讓性的技術，其複合層採用熔融石英。採用該方法後，鑄件的殘餘應力大幅度降低，熱處理時的再結晶缺陷得到徹底解決。
附圖說明
圖1為本發明實施例下定向凝固後的複合型殼退讓性示意圖。
圖2為普通型殼和本發明複合型殼的鑄件單晶完整性示意圖。(a)普通型殼的葉片產生再結晶晶粒；(b)複合型殼的葉片無再結晶晶粒。
具體實施方式
在具體實施過程中，本發明採用在型殼製備過程中對耐火材料進行優化的技術來抑制鑄件的再結晶，所選用的耐火材料是電熔剛玉和熔融石英，其設計思想是：通過降低型殼強度來提高其潰散性或退讓性從而降低對鑄件的作用力，進而減小鑄件的塑性變形及後續熱處理導致的再結晶缺陷；同時，利用相變來促進型殼的體積變化從而降低清除殘餘型殼的衝擊力導致的鑄件塑性變形。其中，降低型殼強度的原理是：利用耐火材料的熱膨脹性能差異，在焙燒或預熱過程中使型殼內部形成均勻分布的微裂紋，降低型殼強度；利用鑄件澆注後型殼內的由熔融石英轉化而成的方石英的相變來進一步降低型殼的低溫強度，有利於清殼。
下面結合具體實例說明定向凝固高溫合金鑄件抑制再結晶的具體實施方式，但定向凝固高溫合金鑄件抑制再結晶的具體實施方式不局限於下述的實施例。
實施例
本實施例中，定向凝固高溫合金鑄件(本實施例合金牌號：dd407)抑制再結晶的方法依次採用的步驟如下：
(1)塗料製備
a)面層塗料的配製：先將定量的矽溶膠倒入塗料桶內，再依次加入各佔矽溶膠0.3vol.％的潤溼劑和消泡劑，同時開動攪拌機，邊攪拌邊緩慢加入3倍於矽溶膠重量的電熔剛玉粉，經攪拌48小時後，通過加入蒸餾水調整粘度約30～35秒。
b)過渡層塗料的配製：先將定量的矽溶膠倒入塗料桶內，同時開動攪拌機，邊攪拌邊緩慢加入2倍於矽溶膠重量的電熔剛玉粉，經攪拌48小時後，通過加入蒸餾水調整粘度約20～22秒。
c)中間層塗料的配製：先將定量的矽溶膠倒入塗料桶內，同時開動攪拌機，邊攪拌邊緩慢加入1倍於矽溶膠重量的熔融石英粉，經攪拌48小時後，通過加入蒸餾水調整粘度約10～12秒。
d)背層塗料的配製：先將定量的矽溶膠倒入塗料桶內，同時開動攪拌機，邊攪拌邊緩慢加入1.5倍於矽溶膠重量的電熔剛玉粉，經攪拌48小時後，通過加入蒸餾水調整粘度約10～12秒。
(2)塗料塗掛與撒砂
a)將清洗後的模組緩慢浸入面層塗料內10～15秒後，取出模組，使模組均勻的覆蓋一層塗料，再把模組送入雨淋式撒砂機內，使表面均勻覆蓋一層100目電熔剛玉砂，然後將模組放在塗料架上自然乾燥大於12小時(本實施例為16小時)，製得第一層型殼模型，其厚度為0.1～0.2mm。環境溼度為55～65％，而溫度為21～23攝氏度，風速小於0.5米/秒(本實施例為0.3米/秒)。
b)吹去表面浮砂後將模組浸入過渡層塗料，操作同面層塗料，掛60目電熔剛玉砂後將模組放在塗料架上自然乾燥大於8小時(本實施例為12小時)，製得第二層型殼模型，其厚度為0.5～1mm。環境溼度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風速為3～5米/秒。
c)吹去表面浮砂後將模組浸入中間層塗料，操作同面層塗料，掛30～60目電熔剛玉砂後將模組放在塗料架上自然乾燥大於8小時(本實施例為12小時)，製得第三層型殼模型，其厚度為1～1.5mm。環境溼度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風速為3～5米/秒。
d)重複步驟c)，製得第四層型殼模型，其厚度為1～1.5mm。
e)吹去表面浮砂後將模組浸入背層塗料，操作同面層塗料，掛60目電熔剛玉砂後將模組放在塗料架上自然乾燥大於8小時(本實施例為12小時)，製得第五層型殼模型，其厚度為1～2mm。環境溼度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風速為3～5米/秒。
f)重複步驟e)，製得第六層型殼模型，其厚度為1～2mm。
g)吹去表面浮砂後將模組浸入背層塗料，乾燥大於48小時(本實施例為56小時)，製成所需的型殼模型，其總體厚度為7～9mm。環境溼度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風速為3～5米/秒。
(3)型殼脫蠟與焙燒
a)型殼脫蠟前澆口杯清理在制殼間操作，除掉型殼澆口杯端部殘餘型殼，澆口杯外沿用砂輪修磨平齊，清理澆口杯壁上的浮砂。脫蠟時，葉身可以傾斜，澆口杯朝下放置。溫度設定170±5℃，壓力0.6～0.65mpa，放氣閥自動放氣，型殼脫蠟時間：10～20min。
b)將型殼放入焙燒爐中，3h左右升溫至(820±20)℃，保溫(3h±10min)，隨爐冷卻至200℃以下時出爐。
(4)澆注
在熔煉室內將合金熔化，溫度為1530℃；靜置兩分鐘後，將合金液注入型殼中；啟動真空泵，抽去鑄型室的一氧化碳氣體；打開閥門，向鑄型室注入空氣，以5mm/min的速度向下移動鑄型室直到完成拉晶；
(5)熱處理
對單晶合金葉片進行熱處理：1300℃/3h，ac.(氣冷至室溫)+1080℃/5h，ac.(氣冷至室溫)+870℃/16h，ac.(氣冷至室溫)。
(6)腐蝕
鑄件再結晶檢查採用宏觀腐蝕方法，化學腐蝕用配方為硝酸：氫氟酸：蒸餾水的體積比＝1：1：2；中和液為碳酸氫鈉(濃度1～2wt％)水溶液；腐蝕液要浸沒鑄件，能夠看清表面晶粒情況時停止腐蝕，撈出鑄件，即刻放入中和液中浸泡3～5分鐘。撈出中和好的鑄件，放入清潔、流動的水中清洗，同時用毛刷刷洗鑄件表面氧化物直至清洗乾淨，清洗時間大於10分鐘(本實施例為15分鐘)。
如圖1所示，優化制殼材料能顯著提高型殼的潰散性，定向凝固後的複合型殼具有良好潰散性。如圖2(a)-(b)所示，普通型殼的葉片產生再結晶晶粒，本發明複合型殼製備鑄件經熱處理後的葉片應力集中點處無再結晶晶粒缺陷。