單晶空心渦輪葉片防表面雜晶與再結(jié)晶形成的制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種單晶空心渦輪葉片防表面雜晶與再結(jié)晶形成的制備工藝，屬于高溫合金技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶鎳基高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能。目前，已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高進(jìn)氣溫度要求，葉片材料還必須采用氣體冷卻技術(shù)才能滿足使用需求。因此，空心單晶葉片在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用。
[0003]空心單晶葉片一般采用精密鑄造方法制備?？招牟糠植捎锰沾尚托拘纬?。在熔模制備過程中，雖然通過合理選擇型芯定位端與型殼之間的連接方式能對型芯的位移起一定的制約作用，但由于陶瓷型芯往往有較大的長度與寬度比，而型殼對型芯的固定力度仍然明顯不足，很難滿足熔模鑄造對陶瓷型芯位移限制的苛刻要求。為最大減少或消除型芯位移，要求用芯撐對型芯的關(guān)鍵部位進(jìn)行定位于加固。實(shí)際生產(chǎn)中常常采用金屬鉑絲對型芯定位。由于單晶鎳基高溫合金成分異常復(fù)雜，通常含有十個(gè)以上的元素，如N1、Al、T1、Ta、W、Mo、Cr、Co、C、B、Re、Ru等，如第二代鎳基單晶高溫合金中含3wt%Re，第三代鎳基單晶高溫合金中含6wt%的Re，如CMSX-10、Rene N6、TMS-75等。單晶合金的凝固范圍較寬，再加上金屬鉑絲芯撐露出葉片鑄件表面的尾端在合金凝固時(shí)會形成導(dǎo)熱橋梁而使局部導(dǎo)熱加快，造成凝固過程中局部容易過冷而導(dǎo)致在鑄件表面形核長成雜晶；還有鉑絲芯撐露出葉片表面的尾端固定在模殼中，葉片表面凝固過程中會因形成局部殘余應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致葉片在熱處理時(shí)形成再結(jié)晶等缺陷。因此，如何采用合理的鉑絲固定工藝進(jìn)而避免表面雜晶及后序熱處理過程中再結(jié)晶是實(shí)際生產(chǎn)中必須解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種單晶空心渦輪葉片防表面雜晶與再結(jié)晶形成的制備工藝，其目的是為了避免葉片凝固過程中表面雜晶的形成以及后序熱處理過程中再結(jié)晶缺陷的形成，滿足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)對單晶渦輪葉片的需求。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種單晶空心渦輪葉片防表面雜晶與再結(jié)晶形成的制備工藝，其特征在于:該工藝在定位鉑絲露出部分即尾端加球形蠟件，其余露出部分刷薄蠟?zāi)?，在制殼時(shí)該刷薄蠟?zāi)げ糠直慌c型殼材料一樣的耐火材料所包裹，脫蠟后形成端部球形空腔及鉑絲側(cè)面微空隙，該空腔及側(cè)面微空隙在真空感應(yīng)爐內(nèi)制備單晶過程中形成絕熱腔，具體為:(a)、制備含有型芯的葉片蠟?zāi)＃?b)、在蠟?zāi)１砻娌迦脬K絲對型芯定位；(C)、在鉑絲露出蠟?zāi)１砻娌糠值亩瞬亢附酉炃颍Ｓ嗟你K絲部分側(cè)面刷薄蠟?zāi)ぃ?d)、采用精密鑄造工藝制備模殼；(e)、拉制單晶葉片；(f)、脫除型芯，然后去除芯撐。
[0006]該工藝的步驟如下:
(a)、制備含有型芯的葉片蠟?zāi)?；將陶瓷型芯放置在蠟?zāi)Ｄ＞咧?，在型芯表面形成蠟?zāi)?2)，蠟?zāi)２捎米⑸涑尚畏绞匠尚危⑸錅囟葹?3°C _68°C，壓力為0.3-0.5MPa,注射時(shí)間為10-30秒，保壓時(shí)間為10-30秒；
(b)、在蠟?zāi)１砻娌迦脬K絲對型芯定位；取蠟?zāi)?，垂直于蠟?zāi)１砻娣较驅(qū)K絲插入蠟?zāi)Ｖ?，插入的深度與蠟?zāi)：穸认嗟?，使鉑絲插入端與陶瓷型芯(I)完全面接觸；
(C)、在鉑絲露出蠟?zāi)１砻娌糠值亩瞬亢附酉炃?；在鉑絲露出的端部采用液滴法制備蠟球(5);鉑絲其他露出蠟?zāi)１砻鎮(zhèn)让娌糠炙⒁粚颖∠災(zāi)ぃ?br> (d)、采用精密鑄造工藝制備模殼；采用精密鑄造方法制備模殼，面層涂料采用粉(320目)與硅溶膠溶液，粉液比(3.0-3.5):1 ;撒砂第一層為80目砂，第二層為60目砂，第三層為32目砂，第四-第七層為24目砂，最后封漿層采用面層涂料；粉料可采用剛玉粉、鋯英粉、石英粉或上店粉其中的一種，撒砂材料為剛玉砂、鋯英砂、石英砂、上店砂等其中的一種；然后將蠟?zāi)Ｃ摮?，即脫蠟，采用蒸汽法脫除，蒸汽溫度?50°C -170°C，壓力3-7個(gè)大氣壓，時(shí)間為10-60分鐘；
(e)、拉制單晶葉片；單晶鑄造合金可采用N5、CMSX-4、DD6等常用單晶高溫合金；定向凝固抽拉速度為3mm/min-15mm/min;
(f)、脫除型芯，然后去除芯撐，鑄造完畢后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脫除。
[0007](b)步驟中鉑絲的直徑為0.3-0.6mm，鉑絲露出蠟?zāi)１砻娌糠值拈L度為3_10mm。
[0008](c)步驟中蠟球的球面與蠟?zāi)１砻娴淖罱嚯xh應(yīng)不小于2mm，鉑絲的露出部分的端部中心位置與錯(cuò)球中心偏差不大于1_，錯(cuò)球的直徑為1_3_ ;鉬絲其他露出錯(cuò)模表面所刷薄蠟?zāi)さ暮穸?.1-0.3mm。
[0009](d)步驟中模殼脫蠟后將模殼放入焙燒爐中進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為850-980°C，保溫時(shí)間為3-6小時(shí)，爐冷后對模殼進(jìn)行清洗。
[0010](f)步驟中堿質(zhì)量濃度比為25-40%，溫度為120°C _280°C，壓力為0.3-0.5MPa，脫除時(shí)間2-50小時(shí)。
[0011]Cf)步驟進(jìn)行之后葉片上殘余堿液采用鹽酸水溶液進(jìn)行中和，鹽酸溶液濃度為1-10% ;葉片表面殘余鉑絲打磨去除。
[0012]優(yōu)點(diǎn)及效果:本發(fā)明提供一種單晶空心渦輪葉片防表面雜晶與再結(jié)晶形成的制備工藝，通過在定位鉑絲露出部分(尾端)加球形蠟件，其余露出部分刷薄蠟?zāi)?，在制殼時(shí)該部分被與型殼材料一樣的耐火材料所包裹，脫蠟后形成端部球形空腔及鉑絲側(cè)面微空隙，該空腔及側(cè)面微空隙在真空感應(yīng)爐內(nèi)制備單晶過程中形成絕熱腔，避免了露出鉑絲部分的熱橋效應(yīng)，從而避免了合金局部過冷的產(chǎn)生，抑制了雜晶的出現(xiàn)；另外，該空腔及鉑絲側(cè)面微空隙為鉑絲的變形提供了釋放空間，避免局部殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而避免了葉片后序熱處理過程中的再結(jié)晶產(chǎn)生。
[0013]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明芯撐與模殼結(jié)構(gòu)示意圖，其中1、型芯；2、蠟?zāi)＃?、模殼4、鉑絲；5、蠟球；圖2為芯撐結(jié)構(gòu)示意圖局部放大圖，其中，1、型芯；2、蠟?zāi)＃?、模殼；4、鉑絲；5、蠟球；6、蠟?zāi)ぃ?br> 圖3為本發(fā)明與原始方法的效果對比圖，其中(a)為傳統(tǒng)工藝單晶鑄件(芯撐處雜晶)，
(b)為新工藝單晶(芯撐處無雜晶)。
[0014]【具體實(shí)施方式】:下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明: 本發(fā)明涉及一種單晶空心渦輪葉片防表面雜晶與再結(jié)晶形成的制備工藝，該工藝的步驟如下:
(a)、制備含有型芯的葉片蠟?zāi)?；將陶瓷型芯放置在蠟?zāi)Ｄ＞咧校谛托颈砻嫘纬上災(zāi)?br>(2)，蠟?zāi)２捎米⑸涑尚畏绞匠尚?，注射溫度?3°C _68°C，壓力為0.3-0.5MPa,注射時(shí)間為10-30秒，保壓時(shí)間為10-30秒；
(b)、在蠟?zāi)１砻娌迦脬K絲對型芯定位；取蠟?zāi)＃怪庇谙災(zāi)１砻娣较驅(qū)K絲插入蠟?zāi)Ｖ校迦氲纳疃扰c蠟?zāi)：穸认嗟?，使鉑絲插入端與陶瓷型芯(I)完全面接觸；鉑絲的直徑為0.3-0.6mm，鉬絲露出錯(cuò)模表面部分的長度為3_10mm;
(c)、在鉑絲露出蠟?zāi)１砻娌糠值亩瞬亢附酉炃颍辉阢K絲露出的端部采用液滴法制備蠟球(5)，蠟球的球面與蠟?zāi)１砻娴淖罱嚯xh應(yīng)不小于2mm，鉑絲的露出部分的端部中心位置與蠟球中心偏差不大于1_，蠟球的直徑為1_3_ ;鉑絲其他露出蠟?zāi)１砻鎮(zhèn)让娌糠炙⒁粚颖″e(cuò)膜，厚度0.1-0.3mm ；
(d)、采用精密鑄造工藝制備模殼；采用精密鑄造方法制備模殼，面層涂料采用粉(320目)與硅溶膠溶液，粉液比(3.0-3.5):1 ;撒砂第一層為80目砂，第二層為60目砂，第三層為32目砂，第四-第七層為24目砂，最后封漿層采用面層涂料；粉料可采用剛玉粉、鋯英粉、石英粉或上店粉其中的一種，撒砂材料為剛玉砂、鋯英砂、石英砂、上店砂等其中的一種；然后將蠟?zāi)Ｃ摮?，即脫蠟，采用蒸汽法脫除，蒸汽溫度?50°C -170°C，壓力3-7個(gè)大氣壓，時(shí)間為10-60分鐘；模殼脫蠟后將模殼放入焙燒爐中進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為850-980°C，保溫時(shí)間為3-6小時(shí)，爐冷后對模殼進(jìn)行清洗；
(e)、拉制單晶葉片；單晶鑄造合金可采用N5、CMSX-4、DD6等常用單晶高溫合金；定向凝固抽拉速度為3mm/min-15mm/min;
(f)、脫除型芯，然后去除芯撐，鑄造完畢后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脫除，堿質(zhì)量濃度比為25-40%，溫度為120°C _280°C，壓力為0.3-0.5MPa，脫除時(shí)間2_50小時(shí)；
葉片上殘余堿液采用鹽酸水溶液進(jìn)行中和，鹽酸溶液濃度為1-10% ;葉片表面殘余鉑絲打磨去除。
[0015]實(shí)施例1:
將陶瓷型芯放置在蠟?zāi)Ｄ＞咧?，蠟?zāi)２捎米⑸涑尚畏绞匠尚?，注射溫度?3°C，壓力為0.5MPa,注射時(shí)間為10秒，保壓時(shí)間為10秒；取出蠟?zāi)?，垂直于蠟?zāi)１砻娣较驅(qū)K絲插入蠟?zāi)Ｖ?，插入的深度與蠟?zāi)：穸认嗟?，鉑絲插入端與陶瓷型芯完全面接觸；鉑絲的直徑為0.3mm，鉑絲露出蠟?zāi)１砻娌糠值拈L度為5mm;在鉑絲露出的端部采用液滴法制備蠟球，蠟球的球面與蠟?zāi)１砻娴淖罱嚯xh應(yīng)不小于2mm，鉑絲的露出部分的端部中心位置與蠟球中心偏差不大于1mm，蠟球的直徑為Imm;鉑絲其他露出蠟?zāi)１砻鎮(zhèn)让娌糠炙⒁粚颖∠災(zāi)ぃ穸?.1mm ;采用精密鑄造方法制備模殼，涂料采用粉(320目)與硅溶膠溶液，粉液比3:1 ；撒砂第一層為80目砂，第二層為60目砂，第三層為32目砂，第四-第七層為24目砂，最后封漿層采用面層涂料；粉料采用剛玉粉，撒砂材料為剛玉砂；蠟?zāi)２捎谜羝摮?，蒸汽溫度?50°C，壓力3個(gè)大氣壓，時(shí)間為10分鐘；模殼脫蠟后將模殼放入焙燒爐中進(jìn)行焙燒，焙燒溫度為850°C，保溫時(shí)間為3小時(shí)，爐冷后對模殼進(jìn)行清洗；單晶鑄造合金可采用N5單晶高溫合金；定向凝固抽拉速度為3mm/min;鑄造完畢后的陶瓷型芯采用KOH的水溶液脫除，堿濃度為25%(質(zhì)量比)，溫度為120°C，壓力為0.3MPa，脫除時(shí)間10小時(shí)；葉片上殘余堿液采用鹽酸水溶液進(jìn)行中和，鹽酸溶液濃度為1% ;葉片表面殘余鉑絲打磨去除。
[0016]實(shí)施例2
將陶瓷型芯放置在蠟?zāi)Ｄ＞咧校災(zāi)２捎米⑸涑尚畏绞匠尚危⑸錅囟葹?