一種發動機葉片的精密鑄造方法
【專利摘要】本發明公開了一種發動機葉片的精密鑄造方法，包括模具設計、模具制造，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。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。
【專利說明】一種發動機葉片的精密鑄造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及精密鑄造【技術領域】，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，由于該一系列優異的特性，被廣泛地應用于航空航天工業、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。當前應用于發動機葉片的時候，較為常見的成型方法為精密鑄造方法。采用熔模精密鑄造工藝制備TiAl基合金構件，特別是形狀復雜的構件，可得到無余量或近無余量的精密復雜構件，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。但是由于模具形成方式的不足以及鑄造過程的參數設計不合理，導致成型后的零件表面和內部缺陷均比較多。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提出一種發動機葉片的精密鑄造方法；
[0005]為達此目的，本發明采用以下技術方案:
[0006]一種發動機葉片的精密鑄造方法，包括模具設計、模具制造，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；
[0007]其中，所述模具設計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，采用快速成型機，采用現有激光燒結結束逐層燒結直徑小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進行表面與內部的清洗；
[0008]其中，所述模具制造的步驟為，將熔模浸入到面層涂料中沾漿30?45s后取出，然后進行面層的撒砂、干燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為350?480°C中保溫
2.5?3h，然后繼續升溫為800?850°C，保溫2.5?3h，繼續升溫為1000?1100°C，保溫
2.5?3h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；
[0009]其中，所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入坩堝中，將坩堝置于真空感應爐的坩堝熔煉室內，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進行4?8次的沖洗，最終保持坩堝熔煉室的真空度為10_5?10_3mbar進行熔煉，熔煉完成后保溫10?15min，使得原料中的各元素均勻；
[0010]其中，所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進行預熱后下料，所述預熱的溫度為380?580°C ；
[0011]其中，所述離心鑄造的步驟為，離心轉速為195rpm?385rpm,燒鑄時間為6?8s ；
[0012]其中，所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出后，清洗零件并烘干；
[0013]其中，所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻后得到的鑄件放入預熱到900?980°C的模具中，然后在加熱爐內加熱到1050~1150°C，然后進行離心鑄造，離心轉速為195rpm ~385rpm ；
[0014]其中，所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；
[0015]其中，所述切邊和噴砂的步驟為，采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；
[0016]其中，所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為950~990°C，熱等靜壓的壓力為100~180MPa，保壓時間為3~6小時。
[0017]作為優選，所述坩堝為水冷銅坩堝。
[0018]作為優選，所述的惰性氣體對坩堝熔煉室進行4~8次的沖洗為，先將坩堝熔煉室抽真空至10-5~l(T3mbar,然后充入IS氣至10~14mbar,然后再抽真空至10-5~l(T3mbar,如此反復共4~8次。
[0019]作為優選，所述面層涂料為氧化鋯、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。
[0020]作為優選，所述面層涂料中氧化鋯、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。
[0021]作為優選，所述發動機葉片的材質為鈦鋁合金，所述鈦鋁合金的組成按重量百分比為38~42%的鋁、3~4.8%的鈮、0.2~0.8%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質。
[0022]作為優選，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁、純碳和海綿鈦。
[0023]本發明的效果在于:通過特定的模具制造和設計過程，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，并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。
【具體實施方式】
[0024]實施例1
[0025]包括模具設計、模具制造，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；
[0026]所述模具設計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，采用快速成型機，采用現有激光燒結結束逐層燒結直徑小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進行表面與內部的清洗；
[0027]所述模具制造的步驟為，將熔模浸入到面層涂料中沾漿35s后取出，然后進行面層的撒砂、干燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為380°C中保溫2.8h，然后繼續升溫為830°C，保溫2.8h，繼續升溫為1050°C，保溫2.9h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；
[0028]所述原料熔煉的步驟為，將待熔煉的原材料放入坩堝中，將坩堝置于真空感應爐的坩堝熔煉室內，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進行6次的沖洗，最終保持坩堝熔煉室的真空度為lOlibar進行熔煉，熔煉完成后保溫12min，使得原料中的各元素均勻；
[0029]所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進行預熱后下料，所述預熱的溫度為480°C ；
[0030]所述離心鑄造的步驟為，離心轉速`為300rpm，澆鑄時間為7s ；[0031]所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出后，清洗零件并烘干；
[0032]所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻后得到的鑄件放入預熱到920°C的模具中，然后在加熱爐內加熱到1080°C，然后進行離心鑄造，離心轉速為310rpm;
[0033]所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；
[0034]所述切邊和噴砂的步驟為，采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；
[0035]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130MPa，保壓時間為4小時。
[0036]實施例2:
[0037]包括模具設計、模具制造，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；
[0038]所述模具設計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，采用快速成型機，采用現有激光燒結結束逐層燒結直徑小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進行表面與內部的清洗；
[0039]所述模具制造的步驟為，將熔模浸入到面層涂料中沾漿30?45s后取出，然后進行面層的撒砂、干燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為350?480°C中保溫2.5?3h，然后繼續升溫為800?850°C，保溫2.5?3h，繼續升溫為1000?1100°C，保溫2.5?3h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；所述面層涂料中氧化鋯、二醋酸鋯、脂肪醇聚氧乙烯醚和正丁醇的重量份比例為3.9:1:0.0006:0.0008。
[0040]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、純碳和海綿鈦。將坩堝置于真空感應爐的坩堝熔煉室內，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進行4?8次的沖洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10_5?10_3mbar，然后充入氬氣至10?14mbar，然后再抽真空至10_5?10_3mbar，如此反復共4?8次。最終保持坩堝熔煉室的真空度為10_5?10_3mbar進行熔煉，熔煉完成后保溫10?15min，使得原料中的各元素均勻；發動機葉片的材質為鈦鋁合金，所述鈦鋁合金的組成按重量百分比為39%的鋁、3.8%的鈮、0.6%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質。
[0041]所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進行預熱后下料，所述預熱的溫度為380?580°C ；
[0042]所述離心鑄造的步驟為，離心轉速為195rpm?385rpm,燒鑄時間為6?8s ;
[0043]所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出后，清洗零件并烘干；
[0044]所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻后得到的鑄件放入預熱到900?980°C的模具中，然后在加熱爐內加熱到1050?1150°C，然后進行離心鑄造，離心轉速為195rpm ?385rpm ；
[0045]所述第二次冷卻的步驟為，出爐空冷；
[0046]所述切邊和噴砂的步驟為，采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；
[0047]所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為950?990°C，熱等靜壓的壓力為100?180MPa，保壓時間為3?6小時。
【權利要求】
1.一種發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，包括模具設計、模具制造，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； 所述模具設計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現有CAD系統設計得到發動機葉片的CAD模型，采用快速成型機，采用現有激光燒結結束逐層燒結直徑小于0.2mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進行表面與內部的清洗； 所述模具制造的步驟為，將熔模浸入到面層涂料中沾漿30~45s后取出，然后進行面層的撒砂、干燥，得到模殼，將模殼放入加熱爐中，在溫度為350~480°C中保溫2.5~3h，然后繼續升溫為800~850°C，保溫2.5~3h，繼續升溫為1000~1100°C，保溫2.5~3h，然后隨爐冷卻到室溫，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，將坩堝置于真空感應爐的坩堝熔煉室內，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進行4~8次的沖洗，最終保持坩堝熔煉室的真空度為10_5~10_3mbar進行熔煉,熔煉完成后保溫10~15min,使得原料中的各元素均勻； 所述下料準備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進行預熱后下料，所述預熱的溫度為380~580°C ； 所述離心鑄造的步驟為，離心轉速為195rpm~385rpm,燒鑄時間為6~8s ; 所述第一次冷卻的步驟為，出爐空冷，將型芯溶出后，清洗零件并烘干； 所述第二次成型的步驟為，將第一次冷卻后得到的鑄件放入預熱到900~980°C的模具中，然后在加熱爐內加熱到1050~1150°C，然后進行離心鑄造，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，采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所述的發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，所述坩堝為水冷銅坩堝。
3.根據權利要求1所述的發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，所述的惰性氣體對坩堝熔煉室進行4~8次的沖洗為，先將坩堝熔煉室抽真空至10_5~10_3mbar，然后充入IS氣至10~14mbar,然后再抽真空至10-5~l(T3mbar,如此反復共4~8次。
4.根據權利要求1所述的發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，所述面層涂料為氧化鋯、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所述的發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，所述面層涂料中氧化鋯、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。
6.根據權利要求1所述的發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，所述發動機葉片的材質為鈦鋁合金，所述鈦鋁合金的組成按重量百分比為38~42%的鋁、3~4.8%的鈮、0.2~0.8%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質。
7.根據權利要求6所述的發動機葉片的精密鑄造方法，其特征在于，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁、純碳和海綿鈦。
【文檔編號】B22C7/02GK103506594SQ201310433622
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2013年9月22日
【發明者】王強 申請人:蘇州華宇精密鑄造有限公司