專利名稱：鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用熔模精密鑄造工藝生產(chǎn)TiAl基合金飛機發(fā)動機葉片。
背景技術(shù)：
近年來，鈦鋁基合金因其密度低、比強度和比模量高，具有較好的抗氧化 和蠕變性能以及優(yōu)異的疲勞性能，在汽車行業(yè)、燃?xì)廨啓C、航空發(fā)動機及火箭 發(fā)動機等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。歐洲航天局于 2004年啟動了 IMPRESS計劃，子課題之一就是旨在掌握鈦鋁基合金航空發(fā)動 機葉片和燃?xì)廨啓C葉片。2006年美國波音公司宣布，其787民用客機使用的 美國通用公司發(fā)動機低壓渦輪后兩級葉片將采用鈦鋁基合金，推動了全球鈦鋁 基合金的應(yīng)用熱潮。飛機發(fā)動機推重比是評價現(xiàn)代飛機發(fā)動機的主要指標(biāo)之 一，它對飛機性能有著決定性的作用。目前世界先進(jìn)發(fā)動機的推重比一般在 7.5 9.0之間，美國F 119發(fā)動機這一數(shù)值能達(dá)到11.0。鈦鋁基合金密度大 約是鎳基高溫合金的一半，使用它制作發(fā)動機高溫部件能夠從增加推力和降低 重量兩方面提高發(fā)動機推重比，對我國航空工業(yè)有著十分重要的作用。葉片是 飛機發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一。飛機發(fā)動機的葉片大小不同，形狀各異。所有葉 片都有一個特點薄，加工時易變形。采用毛坯機加工方式加工葉片，加工工 序比較復(fù)雜，加工效率低，從圖紙到成品， 一般都要經(jīng)過40 60個工序。采 用熔模精密鑄造工藝制備TiAl基合金構(gòu)件，特別是形狀復(fù)雜的構(gòu)件，可得到 無余量或近無余量的精密復(fù)雜構(gòu)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(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決由于飛機發(fā)動機葉片的形狀各異、葉片薄，采用現(xiàn)有毛坯加工方 式時，容易產(chǎn)生變形、加工工序復(fù)雜、加工效率低的問題，本發(fā)明提出一種鈦 鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方法。
本發(fā)明的鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方法采用水冷銅柑
堝真空感應(yīng)熔煉離心鑄造的方法實現(xiàn)，其特征在于它的具體過程為 將待熔煉的原材料加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)；采用氬氣對水冷銅坩堝的熔煉室進(jìn)行沖洗，將水冷銅坩堝的真空室抽真空
至10 5mbar l(T2mbar，然后充氬氣至5.50 mbar 13mbar，再抽真空至l(T5 mbar l(T2mbar，如此反復(fù)2 6次，最后使水冷銅坩堝的熔煉室內(nèi)的真空度 保持在l(T5 mbar l(T2mbar之間；
對水冷銅坩堝內(nèi)的原材料采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，熔化功率 為330 350kW，熔煉完成之后保溫3 5min，使合金元素均勻化；
用石棉氈包裹鑄造型殼，然后裝入砂箱，用粒度為lmm 3mm的鋁礬土 砂作為埋箱材料，填砂造型；
采用離心澆鑄的方法鑄造飛機發(fā)動機葉片，離心鑄造的工藝參數(shù)為鑄造 型殼預(yù)熱溫度為400°C 600°C，離心轉(zhuǎn)速180rpm 360rpm，澆鑄過程在2 5秒完成；
澆鑄后隨爐冷卻，鑄件型殼用手工或機械方法清除，將澆鑄系統(tǒng)切除，進(jìn)
行噴砂處理；
采用熱等靜壓處理密封氣孔、縮孔、縮松等缺陷，熱等靜壓溫度為(1250 ±10) °C，熱等靜壓100 150MPa，保壓時間3 6小時。
本發(fā)明采用熔模精密鑄造技術(shù)制造飛機發(fā)動機葉片，所述熔模精密鑄造技 術(shù)能夠生產(chǎn)出形狀復(fù)雜、凈成形或近凈成形鈦鋁基合金結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明采用水 冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉和離心鑄造的方式澆鑄制造鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉 片。本發(fā)明可以低成本地制備出表面質(zhì)量良好的鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片， 使用該葉片可以實現(xiàn)發(fā)動機葉片減重50%左右，節(jié)省了能耗，提高了推重比。
本發(fā)明著眼于鈦鋁基合金熔煉工藝、澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計以及澆鑄工藝參數(shù)方 面對鑄件成形率的影響，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，制備出表面質(zhì)量較好的鈦鋁基飛 機發(fā)動機葉片。
本發(fā)明的制造方法大大減少了加工工序、縮短了加工工時、提高了生產(chǎn)效 率。具有工序簡單、加工效率高，且加工成本低的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明所述的鑄造型殼的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是澆鑄入口， 2是飛 機發(fā)動機葉片型殼，3是底注式澆鑄系統(tǒng)。圖2是采用本發(fā)明的方法獲得的未 經(jīng)過拋光打磨處理的飛機發(fā)動機葉片的效果圖。
具體實施例方式
本實施方式所述的鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方法，采用 水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉離心鑄造的方法，具體的過程為
將待熔煉的原材料加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)；
采用氬氣對水冷銅坩堝的熔煉室進(jìn)行沖洗，將水冷銅坩堝的真空室抽真空
至10~5mbar l(T2mbar，然后充氬氣至5.50 mbar 13mbar，再抽真空至10 5 mbar l(T2mbar，如此反復(fù)2 6次，最后使水冷銅坩堝的熔煉室內(nèi)的真空度 保持在10 5 mbar 10 2mbar之間；
對水冷銅坩堝內(nèi)的原材料采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，熔化功率 為330kW 350kW，熔煉完成之后保溫3 min 5min，使合金元素均勻化；
用石棉氈包裹鑄造型殼，然后裝入砂箱，用保溫性能較好的粒度為lmm 3mm的鋁礬土砂作為埋箱材料，填砂造型；
采用離心澆鑄的方法鑄造飛機發(fā)動機葉片，離心鑄造的工藝參數(shù)為鑄造 型殼預(yù)熱溫度為400°C 600°C，離心轉(zhuǎn)速180rpm 360rpm，澆鑄過程在2 5秒完成；
澆鑄后隨爐冷卻，鑄件型殼用手工或機械方法清除，將澆鑄系統(tǒng)切除，進(jìn) 行噴砂處理；
采用熱等靜壓處理密封氣孔、縮孔、縮松等缺陷，熱等靜壓溫度為(1250 ±10) °C，熱等靜壓100 150MPa，保壓時間3 6小時。
所述原材料為海綿鈦、高純鋁、電解鉻、鋁鈮中間合金及稀土元素，其中， 高純鋁的含量為46 at. % 48 at. %，所述電解鉻的含量為1 at. % 2 at. %，所 述鋁鈮中間合金的含量為1 at. % 10 at. %，所述稀土元素的含量為0.1 at. % 0.3at.%，其余為海綿鈦。
所述鑄造型殼由底注式澆鑄系統(tǒng)和葉片型殼組成，葉片型殼為復(fù)合型殼， 與鈦鋁基合金接觸層材料為100 300pm厚的Y203，其次為鋁砜土，粘結(jié)劑 為硅溶膠。
本實施方式采用真空感應(yīng)熔煉后直接澆鑄，避免了兩次熔煉成本較高的問 題，同時結(jié)合離心鑄造，解決了TiAl基合金葉片充型困難的問題。本實施方式在真空感應(yīng)熔煉時，水冷銅坩堝與金屬熔體之間存在一層由金 屬熔體重新凝固而產(chǎn)生的固體殼層，此時坩堝內(nèi)襯相當(dāng)于用所熔煉金屬制成， 避免了坩堝對金屬熔體的污染，熔體中雜質(zhì)含量少。
本實施方式中，采用氬氣對水冷銅坩堝的熔煉室進(jìn)行沖洗后，所述熔煉室
內(nèi)的真空度的最佳范圍是10 5 mbar l(T^mbar之間。使得在熔煉過程中熔煉 室真空度始終小于l{T2mbar，減少了金屬與氣體雜質(zhì)的接觸，熔煉出的合金 錠0、N雜質(zhì)含量很低，澆鑄后獲得的鑄件中的氧含量低，為0.04% 0.08%。 與自耗電極熔煉法相比，通過感應(yīng)電磁場攪拌和熔體保溫，使合金熔體成 分均勻性更高。
本實施方式在合金中加入了少量稀土元素，起到了細(xì)化了晶粒尺寸和層片 間距的效果，有助于改善材料的性能。
本實施方式中采用底注式澆注系統(tǒng)，使鈦鋁基合金液能迅速平穩(wěn)地從同一 方向自下而上地填充鑄型型腔，不產(chǎn)生渦流、噴濺和斷流，并讓型腔中的氣體 能順暢地排出鑄型外，減少了鑄造缺陷。
采用的復(fù)合型殼，保證生產(chǎn)出的鑄件表面質(zhì)量好，反應(yīng)層僅幾十微米，并 且大大降低了生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1、一種鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方法，其特征在于它的具體過程為將待熔煉的原材料加入水冷銅坩堝的真空室內(nèi)；采用氬氣對水冷銅坩堝的熔煉室進(jìn)行沖洗，將水冷銅坩堝的真空室抽真空至10～5mbar～10～2mbar，然后充氬氣至5.50mbar～13mbar，再抽真空至10～5mbar～10～2mbar，如此反復(fù)2～6次，最后使水冷銅坩堝的熔煉室內(nèi)的真空度保持在10～5mbar～10～2mbar之間；對水冷銅坩堝內(nèi)的原材料采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐進(jìn)行熔煉，熔化功率為330～350kW，熔煉完成之后保溫3～5min，使合金元素均勻化；用石棉氈包裹鑄造型殼，然后裝入砂箱，用粒度為1mm～3mm的鋁礬土砂作為埋箱材料，填砂造型；采用離心澆鑄的方法鑄造飛機發(fā)動機葉片，離心鑄造的工藝參數(shù)為鑄造型殼預(yù)熱溫度為400℃～600℃，離心轉(zhuǎn)速180rpm～360rpm，澆鑄過程在2～5秒完成；澆鑄后隨爐冷卻，鑄件型殼用手工或機械方法清除，將澆鑄系統(tǒng)切除，進(jìn)行噴砂處理；采用熱等靜壓處理密封氣孔、縮孔、縮松等缺陷，熱等靜壓溫度為(1250±10)℃，熱等靜壓100～150MPa，保壓時間3～6小時。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方 法，其特征在于所述原材料為海綿鈦、高純鋁、電解鉻、鋁鈮中間合金及稀土 元素，其中，高純鋁的含量為46 at % 48 at. %，所述電解鉻的含量為1 at. % 2at.%，所述鋁鈮中間合金的含量為lat.。/。 10at. %，所述稀土元素的含量 為0.1 at. % 0.3 at.%，其余為海綿鈦。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方 法，其特征在于所述鑄造型殼由底注式澆鑄系統(tǒng)和葉片型殼組成，葉片型殼為 復(fù)合型殼，與鈦鋁基合金接觸層材料為100 300pm厚的Y203，其次為鋁砜 土，粘結(jié)劑為硅溶膠。
全文摘要
鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的熔模精密鑄造方法，涉及一種飛機發(fā)動機葉片的制備方法。它解決了由于飛機發(fā)動機葉片的形狀各異、葉片薄，采用現(xiàn)有毛坯加工方式時，容易產(chǎn)生變形、加工工序復(fù)雜、加工效率低的問題。本發(fā)明采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)熔煉離心鑄造的方法實現(xiàn)鈦鋁基合金飛機發(fā)動機葉片的制備，所述鈦鋁基合金的鋁含量為46～48at％，在真空氬氣保護(hù)下熔煉，熔煉過程中的熔化功率為330～350kW；采用離心澆鑄工藝，澆鑄采用底注式澆鑄系統(tǒng)和葉片型殼構(gòu)成的澆鑄系統(tǒng)進(jìn)行澆鑄；鑄造型殼預(yù)熱溫度為400～600℃，澆鑄后隨爐冷卻，澆鑄后合金氧含量為0.04-0.08％。本發(fā)明的方法工藝簡單、加工成本低，適用于加工各種飛機發(fā)動機葉片。
文檔編號B22D13/00GK101564763SQ200910072038
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者孔凡濤, 王惠光, 竟 田, 肖樹龍, 陳玉勇, 陳艷飛 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)