一種單晶渦輪導向葉片的制備工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于高溫合金技術領域，特別提供一種單晶渦輪導向葉片的制備工藝。
【背景技術】
[0002]高推重比航空發動機等技術領域的發展，要求材料具有更高的承溫能力。鎳基高溫合金具有優良的高溫性能。因此，先進航空發動機和燃氣輪機葉片材料主要采用鎳基高溫合金。
[0003]鎳基高溫合金也稱超合金，成分異常復雜，通常含有十種以上的元素，如N1、A1、T1、Ta、W、Mo、Cr、Co、C、B等，在單晶高溫合金中還加入了 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。國外從上世紀八十年代開始，已研制出一系列的單晶高溫合金，其中第二代單晶合金已經廣泛應用；第三代單晶高溫合金研制已完成，如CMSX-10、Rene N6、TMS-75等。
[0004]單晶高溫合金材料的復雜成分使其凝固溫度范圍更寬，成分偏析更加嚴重，這也使得單晶渦輪導向葉片生長更加困難，特別在葉片緣板處等容易形成雜晶及表面疏松等缺陷，進而破壞單晶葉片的整體完整性，使單晶渦輪葉片成品率也明顯降低，單晶葉片成本大大提高，嚴重限制了單晶高溫合金渦輪葉片的大規模使用。因此，如何更有效率制備單晶高溫合金渦輪導向葉片仍然是目前生產中遇到的難題之一。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于開發出一種單晶高溫合金導向渦輪葉片的制備工藝，以滿足高性能發動機對單晶渦輪導向葉片的需求。
[0006]本發明具體提供了一種單晶渦輪導向葉片的制備工藝，其特征在于，采用縱向單晶生長技術制備單晶渦輪導向葉片，制備步驟為:首先制備蠟模，將蠟模與螺旋選晶器組合起來，經涂料制殼、脫蠟、定向凝固、脫殼清理、脫芯、切除多余部分(如引晶薄片及澆注系統)，最后得到完整的單晶渦輪導向葉片；
[0007]所述蠟模由渦輪葉片蠟模、引晶薄片蠟模3及單晶選晶器過渡段蠟模2組成，其中渦輪葉片蠟模包括葉身1、上緣板5、下緣板6和補縮段4,補縮段4位于上緣板5和下緣板6的上端面，單晶選晶器過渡段蠟模2與上緣板5、下緣板6的下端面相接，在葉身1、上緣板5、下緣板6和單晶選晶器過渡段蠟模2之間形成的空間中設有引晶薄片蠟模3。
[0008]其中引晶薄片蠟模3的作用是為了形成引晶薄片空腔，合金液充滿后進行單晶葉片定向凝固生長時起引導晶體生長作用。本發明中，蠟模采用注射成形方式成形，注射溫度為63°C -68°C，壓力為0.3-0.5MPa，注射時間為10-30秒，保壓時間為10-30秒。
[0009]本發明中，涂料采用320目粉與硅溶膠溶液，粉液比為(3.0-3.5): 1 ;
[〇〇1〇] 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、鋯英粉、石英粉或上店粉中的一種，撒砂材料為剛玉砂、鋯英砂、石英砂、上店砂中的一種。
[0011]本發明中，蠟模采用蒸汽法脫除，蒸汽溫度為150°C-17(TC，壓力3-7個大氣壓，時間為10-60分鐘。
[0012]本發明中，模殼脫蠟后將模殼放入焙燒爐中進行焙燒，焙燒溫度為850-980°C，保溫時間為3-6小時，爐冷后對模殼進行清洗。
[0013]本發明中，鑄造合金為單晶高溫合金。
[0014]本發明中，定向凝固抽拉速度為3mm/min-15mm/min。
[0015]本發明中，鑄造完畢后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脫除，堿濃度為質量百分比25-40%，溫度為120。。_280°C，壓力為0.3-0.5MPa，脫除時間2-50小時；葉片上殘余堿液采用鹽酸水溶液進行中和，鹽酸溶液濃度為1-10%。
[0016]本發明中，其特征在于:所得單晶鑄件中的單晶選晶器過渡段與引晶薄片采用線切割方式切除后得到成品單晶鑄件。
[0017]本發明還提供了所述單晶渦輪導向葉片制備工藝的專用蠟模，其特征在于:所述蠟模由渦輪葉片蠟模、引晶薄片蠟模3及單晶選晶器過渡段蠟模2組成，其中渦輪葉片蠟模包括葉身1、上緣板5、下緣板6和補縮段4,補縮段4位于上緣板5和下緣板6的上端面，單晶選晶器過渡段蠟模2與上緣板5、下緣板6的下端面相接，在葉身1、上緣板5、下緣板6和單晶選晶器過渡段蠟模2之間形成的空間中設有引晶薄片蠟模3 ；
[0018]其中引晶薄片蠟模3的厚度為0.3-1.5毫米，與上緣板5、下緣板6、葉身I及單晶選晶器過渡段蠟模2完全相接；補縮段4的高度為10-30毫米，長、寬分別為5-20毫米。
[0019]本發明采用附加引晶薄片連續生長技術保證葉片晶體結構的完整性；采用端部補縮技術保證葉片自由表面補縮而無疏松出現。
[0020]本發明所述專用蠟模可以采用一次成型的方式加工而成，也可以先加工成幾個獨立的蠟模模塊，然后采用組合夾具將各分體蠟模進行定位后拼裝粘接組合而成。
[0021]采用本發明所述方法制備單晶渦輪導向葉片，可以避免雜晶及表面疏松等缺陷的形成，從而明顯提高單晶渦輪導向葉片的成品率，且該工藝方法簡單，成本低，能夠大幅提高單晶渦輪導向葉片的生產效率，可以進行大規模生產。
【附圖說明】
[0022]圖1單晶渦輪葉片蠟模結構示意圖(a)、蠟模結構示意圖，(b)、蠟模相對位置(橫截面)示意圖，其中1、葉身，2、單晶選晶器過渡段，3、引晶薄片，4、補縮段，5、上緣板，6、下緣板；
[0023]圖2單晶生長鑄件I ;
[0024]圖3單晶生長鑄件2 ；
[0025]圖4單晶生長鑄件3。
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，本發明實施例所用蠟模由渦輪葉片蠟模、引晶薄片蠟模3及單晶選晶器過渡段蠟模2組成，其中渦輪葉片蠟模包括葉身1、上緣板5、下緣板6和補縮段4，補縮段4位于上緣板5和下緣板6的上端面，單晶選晶器過渡段蠟模2與上緣板5、下緣板6的下端面相接，在葉身1、上緣板5、下緣板6和單晶選晶器過渡段蠟模2之間形成的空間中設有引晶薄片蠟模3，且引晶薄片蠟模3與葉身1、上緣板5、下緣板6和單晶選晶器過渡段蠟模2完全相接。
[0027]實施例1
[0028]首先采用注射成形方式制備渦輪葉片蠟模、引晶薄片蠟模3及單晶選晶器過渡段蠟模2，注射溫度為65°C，壓力為0.5MPa，注射時間為10秒，保壓時間為10秒，引晶薄片蠟模3的厚度為0.3毫米，補縮段4的高度為10毫米，其橫截面的長與寬均為5毫米；然后將這三部分按圖1所示組合起來，再與螺旋選晶器組合；涂料采用粉(320目)與硅溶膠溶液，粉料采用剛玉粉，粉液比3.5:1 ;撒砂材料為剛玉砂，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；蠟模采用蒸汽法脫除，蒸汽溫度為170°C，壓力為7個大氣壓，時間為10分鐘；脫蠟后將模殼放入焙燒爐中進行焙燒，焙燒溫度為850°C，保溫時間為6小時，爐冷后對模殼進行清洗；鑄造合金采用N5單晶高溫合金；定向凝固在HRS定向爐上進行,抽拉速度為3mm/min,鑄造完畢后陶瓷型芯采用NaOH的水溶液脫除，堿濃度為質量百分比25%，溫度為160°C，壓力為0.3MPa，脫除時間10小時；葉片上殘余堿液采用鹽酸水溶液進行中和,鹽酸溶液濃度為4%。最后得到單晶鑄件，見圖2。單晶選晶器過渡段與引晶薄片皆采用線切割方式切除。
[0029]實施例2
[0030]首先采用注射成形方式制備渦輪葉片蠟模、引晶薄片蠟模3及單晶選晶器過渡段蠟模2，注射溫度為63°C，壓力為0.3MPa，注射時間為30秒，保壓時間為30秒，引晶薄片蠟模3的厚度為0.5毫米，補縮段4的高度為30毫米，其橫截面的長與寬均為20毫米；然后將這三部分按圖1所示組合起來，再與螺旋選晶器組合；涂料采用粉(320目)與硅溶膠溶液，粉料采用上店粉，粉液比3.2:1 ;撒砂材料為上店砂，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；蠟模采用蒸汽法脫除，蒸汽溫度為150°C，壓力為5個大氣壓，時間為15分鐘；脫蠟后將模殼放入焙燒爐中進行焙燒，焙燒溫度為980°C，保溫時間為3小時，爐冷后對模殼進行清洗；鑄造合金采用CMSX-4單晶高溫合金；定向凝固在HRS定向爐上進行，抽拉速度為6mm/min，鑄造完畢后陶瓷型芯采用KOH的水溶液脫除，堿濃度為質量百分比40%，溫度為200°C，壓力為0.5MPa，脫除時間24小時；葉片上殘余堿液采用鹽酸水溶液進