一種制造單晶鑄件的熔化澆注方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及熔模鑄造技術，尤其涉及一種制造高溫合金單晶鑄件的熔化澆注方法，主要用于制造重型燃機透平葉片、航空發動機葉片等。
【背景技術】
[0002]重型燃氣輪機透平葉片是耐熱工件，通常采用鎳基高溫合金鑄造毛坯，為使葉片具有更為優良的高溫性能，鑄造時用定向凝固工藝獲得單晶組織。
[0003]以往的鑄造工藝是，在真空定向凝固爐中，先在上部的熔煉室內將鎳基合金在坩禍中熔化過熱，再傾轉坩禍，將高溫合金液澆入漏斗，流入中部的加熱室內的模殼內，然后以一定的速度將模殼從加熱室向下抽拉至冷卻室，合金液從模殼底部開始定向凝固，向上經選晶器長成單晶，制得單晶葉片毛坯。該工藝的缺點是:(1)爐子上部需設專門的熔煉室，并需要熔煉坩禍和澆注漏斗，增加了結構和操作的復雜性及生產成本；(2)敞開式的熔化和澆注過程中，金屬液會遭到外界污染；(3)坩禍和漏斗被金屬液侵蝕，形成的夾雜會被沖入鑄件；(4)坩禍比模殼高出很多，澆注時飛濺而下的液流造成很大的沖擊，容易導致模殼特別是型芯的損壞。
【發明內容】
[0004]針對以上問題，本發明提供一種制造單晶鑄件熔化澆注方法，可避免發生上述缺陷，其技術解決方案是:
一種制造單晶鑄件的合金熔化澆注方法，該方法包括步驟:
(1)制備好陶瓷模殼，該模殼的型腔具有由上而下順序布置的澆口杯、澆道、鑄件型腔、選晶器，所述澆口杯配有陶瓷蓋；
(2)在澆道中放置高溫合金基材堵塊，將澆道堵塞；如果合金為鎳基高溫合金，則在澆道中放置純鎳塊，如果合金為鈷基高溫合金，則在澆道中放置純鈷塊；再將高溫合金材料放入饒口杯內，然后扣上陶瓷蓋；
(3)將模殼移入真空定向凝固爐，升至爐內加熱室加熱，合金基材的熔點高于合金，所以合金先熔化并過熱，當基材堵塊熔化后，合金液流入鑄件型腔，將其充滿；
(4)將模殼向下抽拉進入爐內冷卻室，鑄件從下向上定向凝固，凝固過程中，由選晶器選晶成為單晶結構。
[0005]所述澆口杯內(底部)配有陶瓷過濾網，步驟(2)所述高溫合金材料置于陶瓷過濾網上。
[0006]本發明的另一種方案是:
一種制造單晶鑄件的熔化澆注方法，可以同時澆注不同的合金，該方法包括步驟:
(I)制備好陶瓷模殼，該模殼的型腔具有由上而下順序布置的澆口杯、澆道、鑄件型腔、選晶器，所述澆口杯配有陶瓷蓋和垂直隔板，所述鑄件型腔多個并列，各型腔鑄件所使用的合金材料不同，所述垂直隔板將澆口杯內部的容積空間劃分為與鑄件型腔對應的多個獨立空間，每一空間分別有澆道通往各自對應的鑄件型腔；
(2)在各澆道中分別放置各自合金材料的基材堵塊，將澆道堵塞；再將各種合金材料分別放入澆口杯各自的空間內，然后扣上陶瓷蓋；
(3)將模殼移入真空定向凝固爐，升至爐內加熱室加熱，合金基材堵塊的熔點高于合金，所以合金先熔化并過熱，當基材堵塊熔化后，各種合金液分別經各自的澆道流入各自的鑄件型腔，將其充滿；
(4)將模殼向下抽拉進入爐內冷卻室，鑄件從下向上定向凝固，凝固過程中，由選晶器選晶成為單晶結構。
[0007]所述澆口杯內(底部)配有陶瓷過濾網，步驟(2 )所述合金材料置于陶瓷過濾網上。
[0008]本發明的有益效果:
由于合金的熔化、澆注和凝固過程都在封閉的同一模殼內進行，減少了周圍環境對金屬液的污染及從坩禍和漏斗帶來的夾雜；又因幾乎無澆注高度，充型緩和，減少了型芯和模殼的破損。并可在同一模殼內熔化澆注不同的合金料，制出不同合金的單晶葉片，可以用來研宄在實際澆注工藝和環境完全相同的情況下不同合金對單晶生長的影響。通過實驗的實施證明了本發明的可行性。本發明適用于但不限于鎳基高溫合金的單晶葉片制備，也可用于其它合金(如鈷基合金)、其它組織(如定向柱晶)和其它產品(如試棒)的熔化澆注。
[0009]下面以鑄造燃氣輪機葉片為例，詳細說明本發明。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明一種模殼的結構圖(一種合金)
圖2是本發明另一種模殼的結構圖(兩種合金)
圖中標號表示:1、陶瓷蓋，2、澆口杯，3、合金料，4、陶瓷過濾網，5、基材堵塊，6、澆道，7、葉片型腔，8、選晶器，9、水冷銅盤，10、陶瓷隔板。
【具體實施方式】
[0011]實施例一
該燃氣輪機葉片用鎳基高溫合金制造。
[0012]參見圖1，先按照熔模鑄造常規工藝制備好陶瓷模殼，該模殼的型腔具有由上而下順序布置的澆口杯2、澆道6、葉片型腔7、選晶器8 ;所述澆口杯2的上口配有陶瓷蓋1，杯內設有陶瓷過濾網4，合金料3置于陶瓷過濾網4上；澆道6的豎直段為圓錐結構，用于放置鎳球5 (基材堵塊)。
[0013]按如下步驟制造單晶葉片:
A、裝料
將鎳球5放進澆道6的錐形豎直段中，再將陶瓷過濾網4放進澆口杯2，然后將鎳基合金料置于陶瓷過濾網4上，扣上陶瓷蓋I。
[0014]B、熔煉充型
將模殼移入真空定向凝固爐，置于水冷銅盤9上，升至加熱室，關閉爐門抽真空，通電升溫，熔煉合金，升溫至鎳基合金熔點(約1350°C )以上約200°C，并保溫5~15min，使合金料熔化并過熱；在此過程中，合金料先熔化，然后鎳球(熔點為1453°C)熔化，合金液經澆道6流入葉片型腔7，將其充滿。
[0015]C、定向凝固
將模殼向下方冷卻室抽拉，合金由下而上定向凝固；在此過程中，經選晶器8選出的晶粒生長，得到單晶葉片。
[0016]實施例二
在同一模殼中采用兩種不同的合金澆注兩種燃機葉片。
[0017]參見圖2，先按照熔模鑄造常規工藝制備好陶瓷模殼，該模殼具有由上而下順序布置的澆口杯2、澆道6、葉片型腔7、選晶器8 ;所述澆口杯2的上口配有陶瓷蓋I，澆口杯2內設有陶瓷隔板10，將杯內空間劃分成兩個獨立空間，兩個獨立空間均有各自的澆道6，分別通往兩組葉片型腔7，兩個獨立空間底部均設有陶瓷過濾網4，其中一個用于放置鎳基高溫合金料M4706 3-1，另一個用于放置鎳基高溫合金料M4761 3_2 ;兩條澆道6的豎直段為圓錐結構，分別放置鎳球5-1和5-2。
[0018]工藝步驟與實施例一類似，區別是本例中澆口杯分為兩個空間。
[0019]按照本方法進行了一次實驗，用一個模殼同時澆注兩種合金共10只葉片，每種合金各5只。在其中一個葉片緣板的三個邊角處安裝了熱電偶測量了整個過程中的溫度變化。加熱器溫度設定為1550°C。從所測溫度曲線可看出當測量點的模殼溫度超過1520°C時發生了合金熔體的自動充型。充型合金熔體的溫度超過1500°C，與通常的澆注溫度差不多，已遠超合金的熔點(1347°C )，具有足夠的過熱度進行充型。從事后進行的金相檢驗結果看，鑄件的單晶率與通常工藝澆注的相似，這是因為澆注后的定向凝固過程完全一樣。本實施例證明了本發明的可行性。
[0020]實施例三
與實施例二的區別是，本例的鑄件有兩種，一種是燃氣輪機葉片，用鎳基合金鑄造，另一種是燃氣輪機配件，用鈷基合金鑄造，在葉片澆道中放置純鎳堵塊，在配件澆道中放置純鈷堵塊，在澆口杯的兩個空間中分別放置鎳合金材料和鈷合金材料，與堵塊材料對應。熔化、澆注步驟與實施例二相同。
【主權項】
1.一種制造單晶鑄件的合金熔化澆注方法，該方法包括步驟: (1)制備好陶瓷模殼，該模殼的型腔具有由上而下順序布置的澆口杯、澆道、鑄件型腔、選晶器，所述澆口杯配有陶瓷蓋； (2)在澆道中放置高溫合金基材堵塊，將澆道堵塞；如果合金為鎳基高溫合金，則在澆道中放置純鎳塊，如果合金為鈷基高溫合金，則在澆道中放置純鈷塊；再將高溫合金材料放入饒口杯內，然后扣上陶瓷蓋； (3)將模殼移入真空定向凝固爐，升至爐內加熱室加熱，合金基材的熔點高于合金，所以合金先熔化并過熱，當基材堵塊熔化后，合金液流入鑄件型腔，將其充滿； (4)將模殼向下抽拉進入爐內冷卻室，鑄件從下向上定向凝固，凝固過程中，由選晶器選晶成為單晶結構。
2.如權利要求1所述的合金熔化澆注方法，所述澆口杯底部配有陶瓷過濾網，步驟(2)所述高溫合金材料置于陶瓷過濾網上。
3.—種制造單晶鑄件的熔化澆注方法，同時澆注不同的合金，該方法包括步驟: (1)制備好陶瓷模殼，該模殼的型腔具有由上而下順序布置的澆口杯、澆道、鑄件型腔、選晶器，所述澆口杯配有陶瓷蓋和垂直隔板，所述鑄件型腔多個并列，各型腔鑄件所使用的合金材料不同，所述垂直隔板將澆口杯內部的容積空間劃分為與鑄件型腔對應的多個獨立空間，每一空間分別有澆道通往各自對應的鑄件型腔； (2)在各澆道中分別放置各自合金材料的基材堵塊，將澆道堵塞；再將各種合金材料分別放入澆口杯各自的空間內，然后扣上陶瓷蓋； (3)將模殼移入真空定向凝固爐，升至爐內加熱室加熱，合金基材堵塊的熔點高于合金，所以合金先熔化并過熱，當基材堵塊熔化后，各種合金液分別經各自的澆道流入各自的鑄件型腔，將其充滿； (4)將模殼向下抽拉進入爐內冷卻室，鑄件從下向上定向凝固，凝固過程中，由選晶器選晶成為單晶結構。
4.如權利要求3所述的單晶鑄件的熔化澆注方法，所述澆口杯底部配有陶瓷過濾網，步驟(2)所述合金材料置于陶瓷過濾網上。
【專利摘要】本發明公開一種制造單晶鑄件的合金熔化澆注方法，特征是在澆道中放置合金基材堵塊，將澆道堵塞，直接將合金料放在模殼的澆口杯內，在真空定向凝固爐內熔化、充型和定向凝固。避免了在坩堝中熔化合金、經漏斗澆入模殼，簡化了工藝步驟，也可簡化真空定向凝固爐的構造，降低造價；同時避免了合金液將坩堝和漏斗中的雜質帶入模殼，提高鑄件質量，此外降低了合金液的澆注高度，減少了對模殼及模殼內陶瓷型芯的沖擊。
【IPC分類】C30B11-00, C30B29-52
【公開號】CN104878443
【申請號】CN201510343232
【發明人】馬德新, 張瓊元, 王海洋, 王海偉, 陳學達, 鞏秀芳, 楊照宏, 楊功顯
【申請人】東方電氣集團東方汽輪機有限公司
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月19日