葉片鑄造方法
2023-04-29 10:52:16
葉片鑄造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鑄造領域，具體涉及發動機葉片的精密鑄造方法。
【背景技術】
[0002]鈦合金密度小，比強度高，耐腐蝕，由於該一系列優異的特性，被廣泛地應用於航空航天工業、能源工業、海上運輸工業等方面。歐洲航天局也曾啟動了航空研究計劃，就是旨在掌握鈦鋁基合金航空發動機葉片和燃氣輪機葉片。飛機發動機推重比是評價現代飛機發動機的主要指標之一，它對飛機性能有著決定性的作用。當前應用於發動機葉片的時候，較為常見的成型方法為精密鑄造方法。採用熔模精密鑄造工藝製備TiAl基合金構件，特別是形狀複雜的構件，可得到無餘量或近無餘量的精密複雜構件，大幅度減少金屬損耗，提高材料的利用率，減少大量機加工工時，大幅度降低生產成本。
[0003]目前使用較多的鈦合金精密鑄造用型殼,大致可分為:石墨型殼、鎢面層陶瓷型殼、氧化物陶瓷型殼等。但是由於模具形成方式的不足以及鑄造過程的參數設計不合理，導致成型後的零件表面和內部缺陷均比較多。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提出一種葉片的鑄造方法；為達此目的，本發明採用以下技術方案:一種葉片的鑄造方法，包括模具設計、模具製造，原料熔煉，下料準備，離心鑄造，第一次冷卻，第二次成型，第二次冷卻，切邊和噴砂，熱等靜壓步驟；所述葉片為發動機葉片，其材質為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為45?48%的鋁、5?6.8%的鈮、3.1 ?4.2%的鎂、V:1.2 ?1.5%, Ta:0.002 ?0.008%,0.10 ?0.28%的碳，餘量為鈦和不可避免的雜質；
[0005]所述模具設計的步驟為，採用水溶性型芯，採用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，採用現有快速成型工藝進行快速成型，雷射燒結逐層燒結直徑小於0.1mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟後製得熔模，然後對熔模進行表面與內部的清洗；
[0006]所述模具製造的步驟為，將熔模浸入到面層塗料中沾漿30?45s後取出，然後進行面層的撒砂、乾燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為380?500°C中保溫2.5?3h，然後繼續升溫為820?870°C，保溫2.5?3h，繼續升溫為1050?1150°C，保溫2.5?3h，然後隨爐冷卻到室溫，得到模具；
[0007]所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入坩堝中，將坩堝置於真空感應爐的坩堝熔煉室內，先採用惰性氣體對坩堝熔煉室進行4?8次的衝洗，最終保持坩堝熔煉室的真空度為10 5?10 3mbar進行熔煉,熔煉完成後保溫10?15min,使得原料中的各元素均勻；
[0008]所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具製造步驟得到的模具，進行預熱後下料，所述預熱的溫度為400?610°C ;
[0009]所述離心鑄造的工藝參數為，離心轉速為195rpm?385rpm，澆鑄時間為6?8s ;
[0010]所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出後，清洗零件並烘乾；所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻後得到的鑄件放入預熱到910?990°C的模具中，然後在加熱爐內加熱到1050?1150°C，然後進行離心鑄造，離心轉速為195rpm?385rpm ;所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；所述切邊和噴砂的步驟為，採用機械方法清除型殼，將澆鑄系統切除，用高壓水切掉工藝邊，進行噴砂處理；
[0011]所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為950?990°C，熱等靜壓的壓力100?180MPa，保壓時間為3?6小時。
[0012]作為優選，所述坩堝為水冷銅坩堝。
[0013]作為優選，所述的惰性氣體對坩堝熔煉室進行4?8次的衝洗為，先將坩堝熔煉室抽真空至10 5?10 3mbar,然後充入IS氣至10?14mbar,然後再抽真空至10 5?10 3mbar,如此反覆共4?8次。
[0014]作為優選，所述面層塗料為氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通過攪拌、靜置而得到的。
[0015]作為優選，所述面層塗料中氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例為 3.8 ?4.2:1:0.0004 ?0.001:0.0006 ?0.0012。
[0016]作為優選，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦。作為優選，熱等靜壓之後還包括退火步驟，所述退火步驟為將熱等靜壓之後的葉片在退火爐中加熱到680?710°C，保溫60?180min後，出爐空冷直至室溫。
[0017]本發明的效果在於:通過特定的模具製造和設計過程，使得模具符合發動機葉片的特定需求；通過離心鑄造參數的設定，使得內部缺陷得到很好的消除；通過二次成型和二次冷卻，使得內部組織均勻穩定且使得內部缺陷得到非常好的消除，並且保證了表面缺陷的良好的消除率；熱等靜壓參數的設定使得內部微觀組織更加均勻；通過特定溫度和時間的退火處理，使得發動機葉片具有良好的強度和韌性。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]葉片的鑄造方法，包括模具設計、模具製造，原料熔煉，下料準備，離心鑄造，第一次冷卻，第二次成型，第二次冷卻，切邊和噴砂，熱等靜壓步驟；
[0020]所述葉片為發動機葉片，其材質為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為46%的鋁、5.8%的鈮、3.8%的鎂、V:1.25%，Ta:0.0028%,0.18%的碳，餘量為鈦和不可避免的雜質；
[0021]所述模具設計的步驟為，採用水溶性型芯，採用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，採用現有快速成型工藝進行快速成型，雷射燒結逐層燒結平均直徑為
0.08mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟後製得熔模，然後對熔模進行表面與內部的清洗；
[0022]所述模具製造的步驟為，將熔模浸入到面層塗料中沾漿35s後取出，然後進行面層的撒砂、乾燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為480°C中保溫2.6h，然後繼續升溫為850°C，保溫2.8h，繼續升溫為1060°C，保溫2.7h，然後隨爐冷卻到室溫，得到模具；所述面層塗料為氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通過攪拌、靜置而得到的；其重量份比例為 3.9:1:0.0008:0.0009 ；
[0023]所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入水冷銅坩堝中，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁(鈮鋁中間合金)、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦；將坩堝置於真空感應爐的坩堝熔煉室內，先採用惰性氣體對坩堝熔煉室進行6次的衝洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10 5mbar,然後充入IS氣至12mbar,然後再抽真空至10 5mbar,如此反覆共6次；最終保持坩堝熔煉室的真空度為3x 10 4Hibar進行熔煉，熔煉完成後保溫14min，使得原料中的各元素均勻；
[0024]所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具製造步驟得到的模具，進行預熱後下料，所述預熱的溫度為510°C ；
[0025]所述離心鑄造的工藝參數為，離心轉速為285rpm，澆鑄時間為7s ;所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出後，清洗零件並烘乾；所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻後得到的鑄件放入預熱到985°C的模具中，然後在加熱爐內加熱到1080°C，然後進行離心鑄造，離心轉速為355rpm ;所述第二次冷的步驟為，出爐空冷；所述切邊和噴砂的步驟為，採用機械方法清除型殼，將澆鑄系統切除，用高壓水切掉工藝邊，進行噴砂處理；所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為980°C，熱等靜壓的壓力為160MPa，保壓時間為
4.5小時。
[0026]實施例2:
[0027]葉片的鑄造方法，包括模具設計、模具製造，原料熔煉，下料準備，離心鑄造，第一次冷卻，第二次成型，第二次冷卻，切邊和噴砂，熱等靜壓步驟；所述葉片為發動機葉片，其材質為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為48%的鋁、5.9%的鈮、3.7%的鎂、V:1.35%, Ta:0.006%,0.28%的碳，餘量為鈦和不可避免的雜質；
[0028]所述模具設計的步驟為，採用水溶性型芯，採用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，採用現有快速成型工藝進行快速成型，雷射燒結逐層燒結平均直徑為
0.09mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟後製得熔模，然後對熔模進行表面與內部的清洗；
[0029]所述模具製造的步驟為，將熔模浸入到面層塗料中沾漿38s後取出，然後進行面層的撒砂、乾燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為490°C中保溫2.8h，然後繼續升溫為860°C，保溫2.7h，繼續升溫為1055°C，保溫2.8h，然後隨爐冷卻到室溫，得到模具；所述面層塗料為氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通過攪拌、靜置而得到的；其重量份比例為 4.0:1:0.0009:0.0008 ；
[0030]所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入水冷銅坩堝中，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁(鈮鋁中間合金)、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦；將坩堝置於真空感應爐的坩堝熔煉室內，先採用惰性氣體對坩堝熔煉室進行5次的衝洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10 4mbar,然後充入氧氣至Ilmbar,然後再抽真空至10 4mbar,如此反覆共5次；最終保持坩堝熔煉室的真空度為5x 10 4Hibar進行熔煉，熔煉完成後保溫18min，使得原料中的各元素均勻；
[0031]所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具製造步驟得到的模具，進行預熱後下料，所述預熱的溫度為520°C ；
[0032]所述離心鑄造的工藝參數為，離心轉速為295rpm，澆鑄時間為1s ;所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出後，清洗零件並烘乾；所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻後得到的鑄件放入預熱到995°C的模具中，然後在加熱爐內加熱到1070°C，然後進行離心鑄造，離心轉速為365rpm ;所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；所述切邊和噴砂的步驟為，採用機械方法清除型殼，將澆鑄系統切除，用高壓水切掉工藝邊，進行噴砂處理；所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為990°C，熱等靜壓的壓力為165MPa，保壓時間為
4.6小時。
[0033]實施例3:葉片的鑄造方法，包括模具設計、模具製造，原料熔煉，下料準備，離心鑄造，第一次冷卻，第二次成型，第二次冷卻，切邊和噴砂，熱等靜壓步驟；所述葉片為發動機葉片，其材質為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為45.2%的鋁、6.0%的鈮、3.9%的鎂、V:1.45%, Ta:0.0068%,0.38%的碳，餘量為鈦和不可避免的雜質；所述模具設計的步驟為，採用水溶性型芯，採用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，採用現有快速成型工藝進行快速成型，雷射燒結逐層燒結平均直徑為0.07mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟後製得熔模，然後對熔模進行表面與內部的清洗；所述模具製造的步驟為，將熔模浸入到面層塗料中沾漿42s後取出，然後進行面層的撒砂、乾燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為490°C中保溫2.6h，然後繼續升溫為850°C，保溫2.6h，繼續升溫為1052°C，保溫2.6h，然後隨爐冷卻到室溫，得到模具；所述面層塗料為氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通過攪拌、靜置而得到的；其重量份比例為4.1:1:0.0007:
0.0007 ;所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入水冷銅坩堝中，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁(鈮鋁中間合金)、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦；將坩堝置於真空感應爐的坩堝熔煉室內，先採用惰性氣體對坩堝熔煉室進行4次的衝洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10 4mbar,然後充入氧氣至Ilmbar,然後再抽真空至10 4mbar,如此反覆共4次；最終保持坩堝熔煉室的真空度為10 4Hibar進行熔煉，熔煉完成後保溫19min，使得原料中的各元素均勻；
[0034]所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具製造步驟得到的模具，進行預熱後下料，所述預熱的溫度為530°C ；
[0035]所述離心鑄造的工藝參數為，離心轉速為298rpm，澆鑄時間為Ils ;所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出後，清洗零件並烘乾；所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻後得到的鑄件放入預熱到994°C的模具中，然後在加熱爐內加熱到1072°C，然後進行離心鑄造，離心轉速為368rpm ;所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；所述切邊和噴砂的步驟為，採用機械方法清除型殼，將澆鑄系統切除，用高壓水切掉工藝邊，進行噴砂處理；
[0036]所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為992°C，熱等靜壓的壓力為168MPa，保壓時間為4.8小時。
【主權項】
1.一種葉片的鑄造方法，其特徵在於，包括模具設計、模具製造，原料熔煉，下料準備，離心鑄造，第一次冷卻，第二次成型，第二次冷卻，切邊和噴砂，熱等靜壓步驟；所述葉片為發動機葉片，其材質為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為45?48%的鋁、5 ?6.8% 的鈮、3.1 ?4.2% 的鎂、V:1.2 ?1.5%，Ta:0.002 ?0.008%,0.10 ?.0.28%的碳，餘量為鈦和不可避免的雜質；所述模具設計的步驟為，採用水溶性型芯，採用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，採用現有快速成型工藝進行快速成型，雷射燒結逐層燒結直徑小於0.1mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟後製得熔模，然後對熔模進行表面與內部的清洗；所述模具製造的步驟為，將熔模浸入到面層塗料中沾漿30?45s後取出，然後進行面層的撒砂、乾燥得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為380?500°C中保溫2.5?3h，然後繼續升溫為820?870°C，保溫2.5?3h，繼續升溫為1050?1150°C，保溫2.5?3h，然後隨爐冷卻到室溫，得到模具；所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入坩堝中，將坩堝置於真空感應爐的坩堝熔煉室內，先採用惰性氣體對坩堝熔煉室進行4?8次的衝洗，最終保持坩堝熔煉室的真空度為10 5?10 3Hibar進行熔煉，熔煉完成後保溫10?15min，使得原料中的各元素均勻；所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具製造步驟得到的模具，進行預熱後下料，所述預熱的溫度為400?610°C ;所述離心鑄造的工藝參數為，離心轉速為195rpm?385rpm，澆鑄時間為6?8s ;所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出後，清洗零件並烘乾；所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻後得到的鑄件放入預熱到910?990°C的模具中，然後在加熱爐內加熱到1050?1150°C，然後進行離心鑄造，離心轉速為195rpm?385rpm ;所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；所述切邊和噴砂的步驟為，採用機械方法清除型殼，將澆鑄系統切除，用高壓水切掉工藝邊，進行噴砂處理；所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為950?990°C，熱等靜壓的壓力為100?180MPa，保壓時間為3?6小時。2.根據權利要求1所述的葉片的鑄造方法，其特徵在於，所述坩堝為水冷銅坩堝。3.根據權利要求1所述的葉片的鑄造方法，其特徵在於，所述的惰性氣體對坩堝熔煉室進行4?8次的衝洗為，先將坩堝熔煉室抽真空至10 5?10 3mbar，然後充入氬氣至10?.14mbar,然後再抽真空至10 5?10 3mbar,如此反覆共4?8次。4.根據權利要求1所述的葉片的鑄造方法，其特徵在於，所述面層塗料為氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇通過攪拌、靜置而得到的。5.根據權利要求4所述的葉片的鑄造方法，其特徵在於，所述面層塗料中氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例為3.8?4.2:1:0.0004?0.001:.0.0006 ?0.0012。
【專利摘要】本發明公開了一種葉片的鑄造方法，採用精密鑄造的方法鑄造葉片，其步驟包括模具設計、模具製造，原料熔煉，下料準備，離心鑄造，第一次冷卻，第二次成型，第二次冷卻，切邊和噴砂，熱等靜壓等。通過上述工序保證了發動機葉片表面和內部缺陷的良好的消除率且內部微觀組織更加均勻。
【IPC分類】B22D13/00, B22D13/10
【公開號】CN105710332
【申請號】CN201410737565
【發明人】秦海鵬
【申請人】青島泰威工具機有限公司