高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，所述透平葉片具有從葉身部周壁凸起的緣板部；所述成型用蠟樹結構在精鑄的制殼工藝中使用，蠟樹上具有對應透平葉片輪廓形狀的葉片蠟模，所述葉片蠟模在蠟樹上以傾斜方式成型，葉片蠟模的各部位棱邊呈傾斜狀。本發(fā)明有效避免了所成型模殼的葉片模腔各部位棱邊處于水平橫置狀態(tài)，確保它們傾斜，進而在定向凝固工藝中，能夠減少、甚至杜絕葉片模腔緣板部邊角處因過度凸出和下垂而所造成的雜晶缺陷產生，從而提高葉片的單晶成品率。
【專利說明】高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及高溫合金部件的精密鑄造，具體是一種高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構。

【背景技術】
[0002]由于單晶組織能夠明顯地提高高溫合金部件的性能，因而，單晶技術越來越多地應用于工業(yè)燃氣輪機的葉片制造。透平葉片通體呈軸向延伸的狹長型結構，其葉身部能夠在定向凝固工藝中可靠地實現順序的單晶生長。然而，透平葉片的葉根部和葉身部之間通常是具有從葉身部周壁凸起的緣板部的，即緣板部的橫截面積大于葉根部橫截面積/葉身部橫截面積，整個透平葉片的輪廓形狀趨向于近似“十字狀”。由于透平葉片的這種結構特性，使得葉身部和葉根部與緣板部的連接處發(fā)生橫截面的突然擴展，從而在定向凝固工藝中，緣板部處會形成較大的過早冷卻和凝固，這種過早冷卻、凝固將直接導致成型的透平葉片內雜晶缺陷產生，進而使透平葉片的單晶成型結構被破壞。
[0003]參見圖1:現有高溫合金透平葉片成型模殼的成型蠟樹結構是:在蠟樹上設置有對應設計要求的“十字狀”透平葉片的葉片蠟模1，為了確保在定向凝固工藝中單晶體能夠順序生長，葉片蠟模I在蠟樹上以軸向豎置成型，即葉片蠟模I的葉身部13和葉根部11軸向豎置、與蠟樹的軸向方向基本一致，僅有葉片蠟模I的緣板部12在軸向豎置的葉身部13和葉根部11之間橫置、呈徑向擴展，這尤其以緣板部12的邊角處14 (即最大凸起輪邊)橫向凸起更為明顯，葉身部13的底部設有選晶蠟模2 (與啟晶蠟模3 —體)；以此所成型模殼在定向凝固工藝中，模殼放置在水冷銅盤上，啟晶模腔與水冷銅盤接觸。此成型模殼雖在定向凝固中使軸向豎置的葉身部內能夠實現順序的單晶生長，但水平橫置的緣板部因橫截面的突然擴展，緣板部的邊角處則極易出現雜晶，進而使緣板部內部及葉根部內部的單晶成長“勢頭”被破壞，即整個透平葉片的單晶成型結構被破壞，無法可靠、有效地鑄造出高性能的高溫合金單晶透平葉片。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對上述透平葉片的結構特性以及現有技術的不足，提供一種所成型模殼能夠可靠實現單晶體順序生長的高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案是:一種高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，所述透平葉片具有從葉身部周壁凸起的緣板部；所述成型用蠟樹結構在精鑄的制殼工藝中使用，蠟樹上具有對應透平葉片輪廓形狀的葉片蠟模，所述葉片蠟模在蠟樹上以傾斜方式成型，葉片蠟模的各部位棱邊呈傾斜狀。
[0006]所述臘樹上還具有選晶臘|旲和啟晶臘|旲；所述選晶臘|旲和啟晶臘1?在臘樹上以傾斜方式成型，它們的傾斜方向與葉片蠟模的葉身部傾斜方向一致。
[0007]所述選晶蠟模和啟晶蠟模的傾斜角度等于或大于葉片蠟模的葉身部傾斜角度。
[0008]所述啟晶蠟模的底部設有導熱體。
[0009]所述導熱體為楔形結構。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明通過將葉片蠟模在蠟樹以傾斜方式成型，從而有效避免了所得成型模殼的葉片模腔各部位棱邊處于水平橫置狀態(tài)，確保它們傾斜，進而在定向凝固工藝中，能夠減少、甚至杜絕葉片模腔緣板部邊角處因過度凸出和下垂而所造成的雜晶缺陷產生，從而提聞葉片的單晶成品率；
2.本發(fā)明通過將所成型模殼的啟晶器以傾斜布置來調整熱流方向，進而可使單晶的晶體取向與透平葉片的葉身部軸向趨于一致，能夠實現透平葉片結構性能的最佳化；
3.本發(fā)明通過在所成型模殼的啟晶模腔內設置調整熱流方向的導熱體，加強對啟晶器內熱流方向的調整，可靠確保透平葉片結構性能的最佳化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0012]圖1是現有軸向豎置式透平葉片成型模殼的成型蠟模結構示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的一種結構示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明的另一種結構示意圖。
[0015]圖中代號含義:1一葉片蠟模；11一葉根部；12—緣板部；13—葉身部；14一邊角處；2—選晶蠟模；3—啟晶蠟模；4一導熱體。

【具體實施方式】
[0016]實施例1
參見圖2:本發(fā)明為一種高溫合金單晶透平葉片成型用的陶瓷模殼的成型蠟樹結構，該透平葉片的葉身部和葉根部之間具有從葉身部周壁凸起的緣板部。本發(fā)明具體在精鑄的制殼工藝中使用，確保所成型陶瓷模殼在定向凝固工藝中所成型透平葉片的高溫合金能夠實現單晶體順序生長。本發(fā)明的蠟樹結構具有葉片蠟模1、選晶蠟模2和啟晶蠟模3。
[0017]其中，葉片蠟模1的空間形狀對應設計要求的透平葉片輪廓形狀，即由從上到下的葉根部11、緣板部12和葉身部13組成趨近于“十字狀”結構。該葉片蠟模1在蠟樹上以傾斜方式成型，即葉身部13 (亦包括了葉根部11)的軸線與蠟樹的軸線形成傾斜夾角，該傾斜夾角的選值范圍在0?45°之間且不得為端值，通常根據設計透平葉片本身的結構特征來優(yōu)選中間值，例如20°、30°、40°等，總之，這些選值的最終目的是必須確保葉片蠟模1的各部位(包括葉根部11、緣板部12和葉身部13)棱邊呈傾斜狀；且為了使所成型陶瓷模殼的葉片模腔的緣板部能夠在定向凝固中順利實現單晶體生長，葉片蠟模1的緣板部12從葉身部13凸出最大的輪邊(即邊角處14)應上翹、傾斜，以此能夠延緩此處在定向凝固工藝中的冷卻時間，以避免雜晶缺陷產生。
[0018]為了保證所成型陶瓷模殼的葉片模腔內高溫合金在定向凝固中單晶體能夠順序生長，在上述具有葉片蠟模1的蠟樹上還設有選晶蠟模2和啟晶蠟模3，該選晶蠟模2和啟晶蠟模3為一體化布置在蠟樹中的葉片蠟模1下方，以傾斜方式成型，具體的傾斜角度是:確保它們的軸向方向與葉片蠟模1的葉身部13軸向方向一致，即平行或盡可能平行；但是，由于定向凝固爐內溫度梯度的影響，陶瓷模殼啟晶器內的熱流會有向下的分量，不完全平行于啟晶器的軸向，因而為抵消這種影響，可以將蠟樹上的啟晶蠟模3的傾斜角度更大一些，即啟晶蠟模3的軸線與蠟樹的軸線之間的傾斜夾角大于葉身部13軸線與蠟樹軸線之間的傾斜夾角，通常約在10°范圍內合理選擇。這樣所成型陶瓷模殼可以在定向凝固中調整單晶透平葉片的晶體取向與葉身部軸向的趨于一致化。
[0019]上述高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構的組裝及成型陶瓷模殼的方法，具體包括下列順序步驟:
1).根據透平葉片的設計形狀制作葉片蠟模，以及一體的選晶和啟晶蠟模；根據所成型葉片蠟模的結構特征確定葉片蠟模在蠟樹底盤上的傾斜方向和角度，傾斜方向的合理確定是確保葉片蠟模上的緣板部最大凸出輪邊上翹，傾斜角度的合理確定是確保葉片蠟模的各部位棱邊均傾斜、且確保選晶和啟晶蠟模的可靠安裝傾斜；
2).按照步驟I)確定的傾斜方向和角度將葉片蠟模、選晶和啟晶蠟模對應安裝在蠟樹底盤上；使葉片蠟模在蠟樹底盤上以傾斜方式豎置，葉片蠟模在蠟樹底盤上呈偏離中心的傾斜狀；使選晶和啟晶蠟模處在葉片蠟模的下方，以對應于葉片蠟模葉身部軸向的方向安裝在蠟樹底盤上；
3).用反復粘槳淋砂的方法在步驟2)的蠟樹上制作陶瓷模殼；對陶瓷模殼進行脫蠟、燒殘蠟和燒結處理，得透平葉片成型模殼。
[0020]上述陶瓷模殼在定向凝固工藝中的具體使用是:
1).將陶瓷模殼放置在真空定向凝固爐內的水冷銅盤上，必要時事先將陶瓷模殼的殼底進行研磨，使模殼的底盤下表面與水冷銅盤的上表面形成緊密接觸；
2).將陶瓷模殼升入加熱室內，關爐門、抽真空，開啟加熱器，預熱至設定溫度，將熔化后的高溫合金澆入陶瓷模殼內；高溫合金熔體通過向水冷銅盤的散熱，隨著陶瓷模殼向冷室的下降，啟晶器內的一些柱晶晶粒長入狹窄彎曲的選晶器內，經過相互競爭，最后只有一個晶粒長出并進入葉身部內，變?yōu)槿~身部的單晶凝固；在緣板部通過凝固區(qū)時，要適當降低抽拉速度，使凝固界面由葉身部緩慢進入傾斜的緣板部，將被抬高的緣板部的邊角處順序凝固；
3).在凝固過程結束后，將鑄模冷室放真空后打開，取出并破開模殼，取出鑄件；
4).檢查鑄件質量，統(tǒng)計單晶成品率，測量葉身部的晶體取向；根據結果調整葉片和啟晶器的傾斜角度，以達到最佳效果。
[0021]實施例2
參見圖3:本發(fā)明為一種高溫合金單晶透平葉片成型用的陶瓷模殼的成型蠟樹結構，該透平葉片的葉身部和葉根部之間具有從葉身部周壁凸起的緣板部。本發(fā)明具體在精鑄的制殼工藝中使用，確保所成型陶瓷模殼在定向凝固工藝中所成型透平葉片的高溫合金能夠實現單晶體順序生長。本發(fā)明的蠟樹結構具有葉片蠟模1、選晶蠟模2和啟晶蠟模3。
[0022]其中，葉片蠟模I的空間形狀對應設計要求的透平葉片輪廓形狀，即由從上到下的葉根部11、緣板部12和葉身部13組成趨近于“十字狀”結構。該葉片蠟模I在蠟樹上以傾斜方式成型，即葉身部13 (亦包括了葉根部11)的軸線與蠟樹的軸線形成傾斜夾角，該傾斜夾角的選值范圍在O?45°之間且不得為端值，通常根據設計透平葉片本身的結構特征來優(yōu)選中間值，例如20°、30°、40°等，總之，這些選值的最終目的是必須確保葉片蠟模I的各部位(包括葉根部11、緣板部12和葉身部13)棱邊呈傾斜狀；且為了使所成型陶瓷模殼的葉片模腔的緣板部能夠在定向凝固中順利實現單晶體生長，葉片蠟模1的緣板部12從葉身部13凸出最大的輪邊(即邊角處14)應上翹、傾斜，以此能夠延緩此處在定向凝固工藝中的冷卻時間，以避免雜晶缺陷產生。
[0023]為了保證所成型陶瓷模殼的葉片模腔內高溫合金在定向凝固中單晶體能夠順序生長，在上述具有葉片蠟模1的蠟樹上還設有選晶蠟模2和啟晶蠟模3，該選晶蠟模2和啟晶蠟模3為一體化布置在蠟樹中的葉片蠟模1下方，以傾斜方式成型，具體的傾斜角度是:確保它們的軸向方向與葉片蠟模1的葉身部13軸向方向一致，即平行或盡可能平行。為了可靠地調整所成型陶瓷模殼的啟晶器軸向熱流和晶粒生長方向，在蠟樹的啟晶蠟模3底部內設有銅質或石墨成型的導熱體4，該導熱體4為上表面傾斜的楔形結構。這樣所成型陶瓷模殼可以在定向凝固中調整單晶透平葉片的晶體取向與葉身部軸向的趨于一致化，可靠地確保透平葉片結構性能的最佳化。
[0024]上述高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構的組裝及成型陶瓷模殼的方法，具體包括下列順序步驟:
1).根據透平葉片的設計形狀制作葉片蠟模，以及一體的選晶和啟晶蠟模；根據所成型葉片蠟模的結構特征確定葉片蠟模在蠟樹底盤上的傾斜方向和角度，傾斜方向的合理確定是確保葉片蠟模上的緣板部最大凸出輪邊上翹，傾斜角度的合理確定是確保葉片蠟模的各部位棱邊均傾斜、且確保選晶和啟晶蠟模的可靠安裝傾斜；
2).按照步驟1)確定的傾斜方向和角度將葉片蠟模、選晶和啟晶蠟模對應安裝在蠟樹底盤上；使葉片蠟模在蠟樹底盤上以傾斜方式豎置，葉片蠟模在蠟樹底盤上呈偏離中心的傾斜狀；使選晶和啟晶蠟模處在葉片蠟模的下方，以對應于葉片蠟模葉身部軸向的方向安裝在蠟樹底盤上，將銅質/石墨成型的楔形導熱體設置在啟晶蠟模的底部；
3).用反復粘槳淋砂的方法在步驟2)的蠟樹上制作陶瓷模殼；對陶瓷模殼進行脫蠟、燒殘蠟和燒結處理，得透平葉片成型模殼。
[0025]上述陶瓷模殼在定向凝固工藝中的具體使用是:
1).將陶瓷模殼放置在真空定向凝固爐內的水冷銅盤上，陶瓷模殼啟晶模腔內的導熱體底面與水冷銅盤上表面接觸；必要時事先將陶瓷模殼的殼底進行研磨，使陶瓷模殼啟晶模腔內的導熱體底面與水冷銅盤的上表面形成緊密接觸；
2).將陶瓷模殼升入加熱室內，關爐門、抽真空，開啟加熱器，預熱至設定溫度，將熔化后的高溫合金澆入陶瓷模殼內；高溫合金熔體通過向水冷銅盤的散熱，隨著陶瓷模殼向冷室的下降，啟晶器內的一些柱晶晶粒長入狹窄彎曲的選晶器內，經過相互競爭，最后只有一個晶粒長出并進入葉身部內，變?yōu)槿~身部的單晶凝固；在緣板部通過凝固區(qū)時，要適當降低抽拉速度，使凝固界面由葉身部緩慢進入傾斜的緣板部，將被抬高的緣板部的邊角處順序凝固；
3).在凝固過程結束后，將鑄模冷室放真空后打開，取出并破開模殼，取出鑄件；將導熱體回收，留作下次使用；
4).檢查鑄件質量，統(tǒng)計單晶成品率，測量葉身部的晶體取向；根據結果調整葉片和啟晶器的傾斜角度，以達到最佳效果。
[0026]上述各實施例僅用以說明本發(fā)明，而非對其限制。盡管參照上述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對上述各實施例的具體技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，所述透平葉片具有從葉身部周壁凸起的緣板部；所述成型用蠟樹結構在精鑄的制殼工藝中使用，蠟樹上具有對應透平葉片輪廓形狀的葉片蠟模(1)，其特征在于:所述葉片蠟模(I)在蠟樹上以傾斜方式成型，葉片蠟模(I)的各部位棱邊呈傾斜狀。
2.根據權利要求1所述高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，其特征在于:所述蠟樹上還具有選晶臘|旲(2)和啟晶臘|旲(3);所述選晶臘|旲(2)和啟晶臘|旲(3)在臘樹上以傾斜方式成型，它們的傾斜方向與葉片蠟模(I)的葉身部(13)傾斜方向一致。
3.根據權利要求2所述高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，其特征在于:所述選晶蠟模(2)和啟晶蠟模(3)的傾斜角度等于或大于葉片蠟模(I)的葉身部(13)傾斜角度。
4.根據權利要求2或3所述高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，其特征在于:所述啟晶蠟模(3)的底部設有導熱體(4)。
5.根據權利要求4所述高溫合金單晶透平葉片成型用蠟樹結構，其特征在于:所述導熱體(4)為楔形結構。
【文檔編號】B22C9/22GK104439077SQ201410770230
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權日:2014年12月15日
【發(fā)明者】馬德新, 張瓊元, 王海洋, 劉艷領, 曾洪, 趙代銀, 楊功顯 申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司