燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法
【專利摘要】本發明提供了一種燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，制造一套精鑄模組，包括由上而下順序布置的模殼和底盤，所述蠟模包括葉片蠟殼和上、下蠟胎，在葉片蠟殼內預埋有兩組豎直布置的引晶條，其中一組上端對應內弧圍帶、下端對應外弧圍帶，另一組上端對應外弧圍帶、下端與葉片蠟殼底面齊平；在下蠟胎內預埋有一組引晶條，環繞葉身的截面型線豎直布置；在拉筋凸臺C和D之下，墊有引晶段；將材料熔融澆入精鑄模組；抽拉精鑄模組的模殼，使熔體沿著葉片抽拉方向的反向順序凝固，形成柱晶。本發明制得的燃氣輪機柱晶導向葉片葉身晶粒無斜晶、斷晶和等軸晶情況，葉片內部無疏松、縮孔，表面無裂紋，質量好、效率高、成本低，可大規模使用和推廣。
【專利說明】燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及渦輪機導向葉片的制造方法，具體說，是一種燃氣輪機柱晶導向葉片的精密鑄造方法。
【背景技術】
[0002]隨著政府對能源和環境問題日益重視，發展高效、清潔的重型燃氣輪機能源動力透平技術在國家能源發展戰略中占據重要位置。工業用燃氣輪機功率的不斷提高，是靠提高透平初溫來實現的，需要采用承溫能力愈來愈高的葉片材料。目前燃氣初溫的水平，透平動、導葉等高溫部件的材料幾乎無一例外選用鎳基高溫合金。從20世紀40年代以來，鎳基高溫合金從變形高溫合金、鑄造高溫合金發展到定向凝固高溫合金，隨著精密鑄造工藝的發展，透平動、靜葉片從等軸晶高溫合金葉片發展至定向凝固柱晶葉片。
[0003]將高溫合金熔體，通過嚴格控制凝固過程，使其晶粒沿葉片主應力方向平行生長，消除了橫向晶界，這種具有成束柱晶組織的導向葉片稱為柱晶葉片，其鑄造工藝稱為定向凝固工藝。與普通等軸晶葉片相比較，柱晶葉片具有以下特點:(1)在垂直于主應力軸的方向上基本消除了晶界，持久強度高；(2)鑄造疏松易于控制；(3)振動阻尼效果好；(4)不存在物理意義上的低周疲勞損傷；(5)薄壁效應小。
[0004]柱晶葉片的柱狀晶的方向、大小、平均偏離度直接影響葉片的性能，是定向凝固工藝的幾個主要技術指標，相對而言，動葉片的輪廓形狀比較簡單，柱晶方向單一，工藝難度較小，國內外具有成熟經驗；而重型燃機導向葉片尺寸大、形狀復雜(見圖1)，該導向葉片是扇形弧段結構，具有整體結構的葉身、內弧圍帶、外弧圍帶，在內弧圍帶的內弧面上具有拉筋凸臺A、B，在外弧圍帶的外弧面上具有拉筋凸臺C、D，拉筋凸臺A、B、C、D呈放射狀分布；定向凝固的柱晶方向與葉身主應力方向平行。
[0005]如何控制柱狀晶粒的生長方向以及晶粒的大小、平均偏離度，工藝難度很大，迄今尚無成功先例。
【發明內容】
[0006]本發明的目的，是提供一種重型燃機柱晶導向葉片的精密鑄造方法，該方法采用近凈成型定向凝固工藝，可成功的鑄造出重型燃機柱晶導向葉片，技術效果優良。
[0007]本發明所采用的技術方案是:
燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，所述導向葉片是扇形弧段結構，具有整體結構的葉身、內弧圍帶、外弧圍帶，在內弧圍帶的內弧面上具有拉筋凸臺A和B，在外弧圍帶的外弧面上具有拉筋凸臺C和D，拉筋凸臺A、B、C和D呈放射狀分布；其鑄造方法是，制造一套精鑄模組，該精鑄模組包括由上而下順序布置的模殼和底盤，所述模殼包括葉片蠟殼和上、下蠟胎，所述葉片蠟殼的內部空間分為上、中、下三部分，上部分空間為杯狀結構，作為熔體材料的澆口 ；上蠟胎布置在中部分空間，位于拉筋凸臺A和B之間，形成水平澆道；下部分空間輪廓與導向葉片的輪廓形狀一致，作為導向葉片的澆注定型空間；該空間的方位是:內弧圍帶居上，外弧圍帶居下，葉身居中且豎直；下蠟胎位于拉筋凸臺C和D之下；在葉片蠟殼內預埋有兩組豎直布置的引晶條，其中一組分布在圍帶的兩個圓周方向端面，上端對應內弧圍帶、下端對應外弧圍帶，另一組分布在外弧圍帶的兩個寬度方向端面，上端對應外弧圍帶、下端與葉片蠟殼底面齊平；在下蠟胎內預埋有一組引晶條，環繞葉身的截面型線豎直布置；在拉筋凸臺C和D之下，墊有引晶段；
按如下步驟鑄造導向葉片:
(1)、將預制的模殼焙燒后，與底盤組合成精鑄模組；
(2)、將材料熔融澆入精鑄模組；
(3)、抽拉精鑄模組的模殼，使熔體沿著葉片抽拉方向的反向順序凝固，形成柱晶。
[0008]所述步驟(I)中模殼的焙燒溫度為1450°C，
所述步驟(2)中熔體澆注溫度為1550°C，澆注完成的時間為5?10 S。
[0009]所述步驟(3)中抽拉模殼分為三段，先以15mm/min抽拉速度抽拉模殼，以便充分選晶；隨后降低抽拉速度為12mm/min ;最后抽拉速度為8mm/min。
[0010]本發明所產生的有益效果為:
1.本發明采用端壁引晶段、引晶條和變抽拉速度制備定向凝固導葉片，生產的大尺寸、形狀復雜、近凈成型定向導向葉片葉身晶粒無斜晶、斷晶和等軸晶情況，葉片內部無疏松、縮孔，表面無裂紋；
2.定向凝固柱晶發散度不大于20°，葉身型面中弦部位至少有5個柱狀晶，柱狀晶的平均偏離度不大于10° ;
3.采用該方法進一步提高了近凈成型定向凝固導向葉片的合格率，應用到其他型號重型燃機以及航空發動機葉片的生產過程中，產生更大的經濟效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為重型燃機導葉示意圖圖2為本發明的實施示意圖
圖3為導葉片外端壁俯視圖圖4為變抽拉速度拉晶意圖
圖中標號表示:1-澆口杯，2-水平澆道，3-內弧圍帶的澆注定型空間，4-葉身的澆注定型空間，5-外弧圍帶的燒注定型空間，6-引晶段，7.1-引晶條，7.2-引晶條，8-引晶條，9-水冷銅盤，10-蠟殼。
【具體實施方式】
[0012]如圖1?4所示，本發明是一種燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，該導向葉片是扇形弧段結構，具有整體結構的葉身、內弧圍帶、外弧圍帶，在內弧圍帶的內弧面上具有拉筋凸臺A和B，在外弧圍帶的外弧面上具有拉筋凸臺C和D。
[0013]其鑄造方法是，制造一套精鑄模組，該精鑄模組包括由上而下順序布置的模殼和底盤(即水冷銅盤9)。模殼包括葉片蠟殼10和上、下蠟胎，葉片蠟殼10的內部空間分為上、中、下三部分，具體的:
葉片蠟殼10的上部分空間為杯狀結構，作為熔體材料的澆口杯I。上蠟胎布置在蠟殼10的中部分空間、設置在拉筋凸臺A和B的之間，形成水平澆道2;本【具體實施方式】中，上蠟胎布置設置在拉筋凸臺A和B的頂部之間。蠟殼10的下部分空間輪廓與導向葉片的輪廓形狀一致，作為導向葉片的澆注定型空間。該導向葉片的澆注定型空間的方位是:內弧圍帶的澆注定型空間3居上，外弧圍帶的澆注定型空間5居下，葉身的澆注定型空間4居中且豎直。下蠟胎布置在蠟殼10的下部分空間、位于拉筋凸臺C和D的之下。
[0014]本發明最主要的創新之處在于，在蠟殼10內預埋有兩組豎直布置的引晶條7，其中:一組引晶條7.1分布在圍帶的兩個圓周方向端面，上端對應內弧圍帶的澆注定型空間
3、下端對應外弧圍帶的澆注定型空間5 ;另一組引晶條7.2分布在外弧圍帶的兩個寬度方向端面，上端對應外弧圍帶的澆注定型空間5、下端與蠟殼10的底面齊平。同時，在下蠟胎內預埋有一組引晶條8，環繞葉身的澆注定型空間4的截面型線豎直布置。另外，在拉筋凸臺C和D之下、沿拉筋凸臺C和D的長度方向墊有引晶段6 ；
按如下步驟鑄造導向葉片:
(1)、將預制的模殼焙燒后，與底盤組合成精鑄模組；其中，模殼的焙燒溫度為1450°C。
[0015](2)、將材料熔融澆入精鑄模組；其中，熔體澆注溫度為1550°C，澆注完成的時間為5?10 So
[0016](3)、將上述澆注有熔體的精鑄模組放置在水冷銅盤9上，抽拉模殼10，使熔體沿著葉片抽拉方向的反向順序凝固，形成柱晶。其中，抽拉模殼10分為三段，先以15mm/min抽拉速度抽拉模殼10,以便充分選晶；隨后降低抽拉速度為12mm/min ;最后抽拉速度為8mm/min0
[0017]實施例1
一種大尺寸、形狀復雜、近凈成型定向導向葉片的制備方法。該導向葉片全長170_，葉身長度100mm，按照圖4設計精鑄模組，拉晶高度為220mm。采用EC95制備模殼，模殼的焙燒溫度為1450°C，澆注溫度為1550°C，澆注完成時間為5?10 s。澆注完成后、由下至上，先以15mm/min的抽拉速度抽拉模殼1020mm,以便充分選晶；隨后以12mm/min的抽拉速度抽拉模殼40mm ;最后以8mm/min的抽拉速度抽拉模殼160mm、將模殼拉伸完畢。
[0018]實施例2
某燃機近凈成型1級定向柱晶導向葉片的制備方法。該導向葉片全長181mm，葉身長度77mm，按照圖4設計精鑄模組，拉晶高度為230mm。采用EC95制備模殼，模殼的焙燒溫度為1500°C，澆注溫度為1550°C，澆注完成時間為5?10 s。澆注完成后、由下至上，先以20mm/min抽拉速度抽拉型殼，以便充分選晶；隨后降低抽拉速度為10mm/min ;最后抽拉速度為 8mm/min0
[0019]實施例3
某燃機近凈成型1級定向柱晶導向葉片的制備方法。該導向葉片全長290mm，葉身長度180mm，按照圖4設計精鑄模組，拉晶高度為330mm。采用EC95制備模殼，模殼的焙燒溫度為1500°C，澆注溫度為1500°C，澆注完成時間為5?10 s。澆注完成后、由下至上，先以20mm/min抽拉速度抽拉型殼，以便充分選晶；隨后降低抽拉速度為10mm/min ;最后抽拉速度為 8mm/min0
【權利要求】
1.燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，所述導向葉片是扇形弧段結構，具有整體結構的葉身、內弧圍帶、外弧圍帶，在內弧圍帶的內弧面上具有拉筋凸臺A和B，在外弧圍帶的外弧面上具有拉筋凸臺C和D，拉筋凸臺A、B、C和D呈放射狀分布；其鑄造方法是，制造一套精鑄模組，該精鑄模組包括由上而下順序布置的模殼和底盤，所述模殼包括葉片蠟殼和上、下蠟胎，其特征在于，所述葉片蠟殼的內部空間分為上、中、下三部分，上部分空間為杯狀結構，作為熔體材料的澆口 ；上蠟胎布置在中部分空間，位于拉筋凸臺A和B之間，形成水平澆道；下部分空間輪廓與導向葉片的輪廓形狀一致，作為導向葉片的澆注定型空間；該空間的方位是:內弧圍帶居上，外弧圍帶居下，葉身居中且豎直；下蠟胎位于拉筋凸臺C和D之下；在葉片蠟殼內預埋有兩組豎直布置的引晶條，其中一組分布在圍帶的兩個圓周方向端面，上端對應內弧圍帶、下端對應外弧圍帶，另一組分布在外弧圍帶的兩個寬度方向端面，上端對應外弧圍帶、下端與葉片蠟殼底面齊平；在下蠟胎內預埋有一組引晶條，環繞葉身的截面型線豎直布置；在拉筋凸臺C和D之下，墊有引晶段； 按如下步驟鑄造導向葉片: (1)、將預制的模殼焙燒后，與底盤組合成精鑄模組； (2)、將材料熔融澆入精鑄模組； (3)、抽拉精鑄模組的模殼，使熔體沿著葉片抽拉方向的反向順序凝固，形成柱晶。
2.如權利要求1所述的燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，其特征在于，所述步驟(O中模殼的焙燒溫度為1450°C。
3.如權利要求1所述的燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，其特征在于，所述步驟(2)中熔體澆注溫度為1550°C，澆注完成的時間為5?10S。
4.如權利要求1所述的燃氣輪機柱晶導向葉片精密鑄造方法，其特征在于，所述步驟(3)中抽拉模殼分為三段,先以15mm/min抽拉速度抽拉模殼，以便充分選晶；隨后降低抽拉速度為12mm/min ;最后抽拉速度為8mm/min。
【文檔編號】B22D27/20GK104289674SQ201410574070
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】鞏秀芳, 陶飛, 馬德新, 張建平, 劉艷領, 楊功顯 申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司