CN112974729B - 一种双晶叶片蜡模组合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双晶叶片蜡模组合方法，包括：切取籽晶；压制双晶叶片蜡模；在双晶叶片模具中放入两个所述籽晶，调整两个所述籽晶的角度，使两个所述籽晶的长度方向与晶体生长方向平行，两个所述籽晶的宽度方向呈一定夹角，所述夹角的大小与双晶叶片的晶界取向差成正比例关系；将蜡料注入所述双晶叶片模具中压制成型多个所述双晶叶片蜡模；组合双晶叶片蜡模：将多个所述双晶叶片蜡模进行组合。本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，利用双籽晶引晶，通过旋转两个籽晶精确控制小角度晶界取向差；模组生长方向平行于热流方向且晶界取向差可控，能够获得无杂晶、单晶完整性良好的双晶叶片。

Description

一种双晶叶片蜡模组合方法

技术领域

本发明属于熔模精密铸造技术领域，具体涉及一种双晶叶片蜡模组合方法。

背景技术

航空发动机涡轮叶片材料通常选用镍基高温合金，使用熔模铸造的方法进行铸造。涡轮叶片形状结构，特别是单晶导向叶片，因其结构的特殊性，在定向凝固成型过程中易形成杂晶、条带、小角度晶界等缺陷。由于单晶高温合金中不含或者含有很少量的晶界强化元素，因此这些小角度晶界缺陷对单晶合金的高温性能具有较大影响，因此有必要针对涡轮叶片小角度晶界缺陷进行研究。

目前研究小角度晶界对单晶合金影响的研究方法主要通过制取双晶试样进行模拟，但是由于双晶试样的制备包括籽晶选择、蜡模压制、蜡模组合和定向凝固等过程，在双晶生长的过程中，晶界极易发生偏转，导致晶界的取向差无法精确控制，存在其他不希望出现的杂晶等晶体缺陷。此外，目前大多数研究对象为双晶试板，无法真实反映叶片上的小角度晶界缺陷。这些问题都会造成双晶试样制备的重复与浪费，是双晶制备过程中需要克服的难题。为了得到与生长方向平行且小角度晶界取向差能够精确控制的双晶叶片，必须严格控制双晶叶片的制备过程，尤其是蜡模组合。

发明内容

为了至少解决上述技术问题之一，本发明的目的是提供一种双晶叶片蜡模组合方法，实现小角度晶界取向差精确可控的双晶叶片铸件的制备。

为了至少实现上述目的之一，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种双晶叶片蜡模组合方法，包括：

步骤1，切取籽晶；

步骤2，压制双晶叶片蜡模；在双晶叶片模具中放入两个所述籽晶，调整两个所述籽晶的角度，使两个所述籽晶的长度方向与晶体生长方向平行，两个所述籽晶的宽度方向呈一定夹角，所述夹角的大小与双晶叶片的晶界取向差成正比例关系；将蜡料注入所述双晶叶片模具中压制成所述双晶叶片蜡模；

步骤3，组合双晶叶片蜡模：将多个所述双晶叶片蜡模进行组合。

进一步地，在步骤1中，选取生长方向与取向偏差在一定角度范围内的试棒，利用线切割在试棒的生长方向上切取多个长条籽晶。

进一步地，所述长条籽晶的长为15~25mm；宽为1.5~2.5mm；高为1.5~2.5mm。

进一步地，在步骤2中，所述双晶叶片模具放置在压蜡机上，通过所述压蜡机压制成型所述双晶叶片蜡模。

进一步地，所述压蜡机上模板和下模板的温度为36℃~42℃，合模压力为38bar~48bar，蜡料温度为58℃~65℃，流量为28%~38%，注射压力为6bar~12bar，注射时间为20s~35s，注射蜡料后保压70s~100s。

进一步地，所述双晶叶片蜡模压制成型后，将所述双晶叶片蜡模从所述双晶叶片模具中取出；待所述双晶叶片蜡模冷却后，放入专用木盒中，摆放整齐待用。

进一步地，在步骤3中，先将多个所述双晶叶片蜡模用焊蜡刀垂直焊接在上底板上；然后将下底板连接到所述籽晶上；所述下底板与所述上底板平行；所述籽晶与所述下底板连接紧密均匀。

进一步地，在步骤3中，多个所述双晶叶片蜡模均匀轴对称垂直分布；多个所述双晶叶片蜡模的任何部分不得超出浇冒口的外径。

进一步地，在步骤3中，焊缝小且平滑过渡；所述焊接的材料为熔化的粘结蜡，所述粘结蜡的熔化温度为82℃~88℃。

进一步地，在步骤3后，采用通用壳型制备工艺涂壳，获得双晶叶片壳型；采用单晶高温合金进行浇注，得到所述双晶叶片。

本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，采用单晶高温合金缘板平行热流方向组合双晶叶片的蜡模，利用双籽晶引晶，通过旋转两个籽晶精确控制小角度晶界取向差。通过上底板引出双晶叶片，双晶叶片均匀对称分布，双晶叶片底部与籽晶连接为整体，籽晶的引晶端与下底板连接为整体。这种组合方法组合出的模组生长方向平行于热流方向且晶界取向差可控，能够获得无杂晶、单晶完整性良好的双晶叶片。与其它方法相比，该方法浇注的双晶叶片与抽拉方向的取向差可控制在10°以下，使双晶叶片的制备合格率在85%以上。

本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，简单可靠，通过控制籽晶的放置角度能够精确控制小角度晶界的取向差，并且在定向凝固过程中晶体沿着籽晶方向生长；以定向凝固理论为基础，结合定向凝固浇注试验，解决了双晶叶片蜡模组合在定向凝固过程中小角度晶界取向差无法精确控制的问题。

附图说明

图1是本发明中切取的籽晶的结构示意图；

图2是本发明中双晶叶片蜡模的结构示意图；

图3是本发明中双晶叶片蜡模组合的结构示意图；

图4是本发明中小角度晶界取向差为5.5°的双晶叶片的结构示意图；

图5是本发明中小角度晶界取向差为8.5°的双晶叶片的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、浇冒口；2、上底板；3、双晶叶片蜡模；4、籽晶；5、下底板。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出的双晶叶片蜡模组合方法包括以下步骤：

步骤1，切取籽晶。选取生长方向与取向偏差在一定角度范围内的试棒，利用线切割在试棒的生长方向上切取多个合适大小的长条籽晶，籽晶的表面尽量平整；优选的，长条籽晶的长为15~25mm，宽为1.5~2.5mm，高为1.5~2.5mm。切好的籽晶如图1所示。

步骤2，压制双晶叶片蜡模。将双晶叶片的模具置于压蜡机上，在模具中放入两个切好的籽晶，根据需要旋转两个籽晶的角度，使两个籽晶摆放平整，且两个籽晶的长度方向与晶体生长方向平行，宽度方向呈一定夹角，该夹角与最终得到的双晶叶片晶界取向差成正比例关系。这是由于在定向凝固的过程中双晶叶片中的晶体沿着两个籽晶的晶体取向生长，最后在叶片中间汇合形成晶界，由于两个籽晶平行且旋转一定角度，因此晶体生长过程中晶界两侧晶体会存在取向差，而取向差的大小取决于两个籽晶旋转的角度。

然后将蜡料注入模具中，压蜡机上模板和下模板的温度为36℃~42℃，合模压力为38bar~48bar，蜡料温度为58℃~65℃，流量为28%~38%，注射压力为6bar~12bar，注射时间为20s~35s，注射蜡料后保压70s~100s，得到成型的双晶叶片蜡模如图2所示。籽晶与双晶叶片的连接处需光滑过渡。完成单个叶片蜡模压制后，将蜡模从模具中取出。重复上述过程，完成所需双晶叶片蜡模压制。待蜡模冷却后，放入专用木盒中，摆放整齐待用。

步骤3，组合双晶叶片蜡模。如图3所示，将修整好的单个双晶叶片蜡模用焊蜡刀垂直焊在上底板上，所有蜡模均匀轴对称垂直分布。蜡模上午任何部分不得超出浇冒口的外径，焊缝应尽量小且平滑过渡。焊接用材料为熔化的粘结蜡，粘结蜡的熔化温度为82℃~88℃。

然后将下底板连接到双晶叶片的籽晶上，要求下底板与上底板平行，叶片籽晶与下底板连接紧密均匀。用焊蜡刀将模组中的尖角、毛刺等进行修整，保证在模组各个连接部分光滑平整。

本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，通过控制籽晶的放置角度能够精确控制小角度晶界的取向差，并且在定向凝固过程中晶体沿着籽晶方向生长；使铸件的固-液界面上的热流保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进；结晶前沿区域内维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。

以下，将通过具体实施例对本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法作详细说明：

实施例1

步骤1，切取籽晶。选取生长方向与取向偏差为0.6°的试棒，利用线切割在试棒的生长方向上切取多个长×宽×高分别为20mm×2mm×2mm的长条籽晶，籽晶的表面尽量平整。

步骤2，压制双晶叶片蜡模。将双晶叶片模具置于压蜡机上，在模具中放入切好的籽晶，根据需要旋转两个籽晶的角度，要求两个籽晶摆放平整，两个籽晶长度方向与晶体生长方向平行，宽度方向夹角为5°，该夹角与双晶叶片晶界取向差相同。然后将蜡料注入模具中，压蜡机上模板和下模板的温度为36℃，合模压力为38bar，蜡料温度为58℃，流量为28%，注射压力为6bar，注射时间为20s，注射蜡料后保压70s，得到成型的双晶叶片蜡模。籽晶与双晶叶片的连接处光滑过渡。完成单个叶片蜡模压制后，将蜡模取出放置于冷水中。重复上述过程，完成所需双晶叶片蜡模压制。待蜡模冷却后，放入专用木盒中，摆放整齐待用。

步骤3，组合双晶叶片蜡模。将修整好的双晶叶片蜡模用焊蜡刀垂直焊在上底板上，所有蜡模均匀轴对称垂直分布。蜡模任何部分不得超出浇冒口的外径，焊缝应尽量小且平滑过渡。焊接用材料为熔化的粘结蜡，粘结蜡的熔化温度为82℃。然后将下底板连接到双晶叶片的籽晶上，要求下底板与上底板平行，叶片籽晶与下底板连接紧密均匀。用焊蜡刀将模组中的尖角、毛刺等进行修整，保证在模组各个连接部分光滑平整。

随后采用通用壳型制备工艺涂壳，获得双晶叶片壳型。采用约7kg第二代单晶高温合金DD11母合金锭进行浇注，得到小角度晶界取向差为5.5°的双晶叶片，如图4所示。

实施例2

步骤1，切取籽晶。选取生长方向与取向偏差为1.2°的试棒，利用线切割在试棒的生长方向上切取多个长×宽×高分别为20mm×2mm×2mm的长条籽晶，籽晶的表面尽量平整。

步骤2，压制双晶叶片蜡模。将双晶叶片模具置于压蜡机上，在模具中放入切好的籽晶，根据需要旋转两个籽晶的角度，要求两个籽晶摆放平整，两个籽晶长度方向与晶体生长方向平行，宽度方向夹角为8°。然后将蜡料注入模具中，压蜡机上模板和下模板的温度为42℃，合模压力为48bar，蜡料温度为65℃，流量为38%，注射压力为12bar，注射时间为35s，注射蜡料后保压7100s，得到成型的双晶叶片蜡模。籽晶与双晶叶片的连接处需光滑过渡。完成单个叶片蜡模压制后，将蜡模取出放置于冷水中。重复上述过程，完成所需双晶叶片蜡模压制。待蜡模冷却后，放入专用木盒中，摆放整齐待用。

步骤3，组合双晶叶片蜡模。将修整好的单个双晶叶片蜡模用焊蜡刀垂直焊在上底板上，所有蜡模均匀轴对称垂直分布。蜡模任何部分不得超出浇冒口的外径，焊缝应尽量小且平滑过渡。焊接用材料为熔化的粘结蜡，粘结蜡的熔化温度为88℃。然后将下底板连接到双晶叶片的籽晶上，要求下底板与上底板平行，叶片籽晶与下底板连接紧密均匀。用焊蜡刀将模组中的尖角、毛刺等进行修整，保证在模组各个连接部分光滑平整。

随后采用通用壳型制备工艺涂壳，获得双晶叶片壳型。采用约7kg第二代单晶高温合金DD6母合金锭进行浇注，得到小角度晶界取向差为8.5°的双晶叶片，如图5所示。

本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，采用单晶高温合金缘板平行热流方向组合双晶叶片的蜡模，利用双籽晶引晶，通过旋转两个籽晶精确控制小角度晶界取向差。通过上底板引出双晶叶片，双晶叶片均匀对称分布，双晶叶片底部与籽晶连接为整体，籽晶的引晶端与下底板连接为整体。这种组合方法组合出的模组生长方向平行于热流方向且晶界取向差可控，能够获得无杂晶、单晶完整性良好的双晶叶片。与其它方法相比，该方法技术成熟，浇注的双晶叶片与抽拉方向的取向差可控制在10°以下，使双晶叶片的制备合格率在85%以上。

本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，简单可靠，通过控制籽晶的放置角度能够精确控制小角度晶界的取向差，并且在定向凝固过程中晶体沿着籽晶方向生长；以定向凝固理论为基础，结合定向凝固浇注试验，解决了双晶叶片蜡模组合在定向凝固过程中小角度晶界取向差无法精确控制的问题，同时解决了单晶完整性不良，易形成杂晶缺陷等问题。通过本发明提供的双晶叶片蜡模组合方法，研制或生产复杂结构的双晶叶片，小角度晶界取向差精确控制，单晶完整性优良。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (6)

1.一种双晶叶片蜡模组合方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，切取籽晶：选取生长方向与取向偏差在一定角度范围内的试棒，利用线切割在试棒的生长方向上切取多个长条籽晶，所述长条籽晶的长为15~25mm；宽为1.5~2.5mm；高为1.5~2.5mm；

步骤2，压制双晶叶片蜡模；在双晶叶片模具中放入两个所述籽晶，调整两个所述籽晶的角度，使两个所述籽晶的长度方向与晶体生长方向平行，两个所述籽晶的宽度方向呈一定夹角，所述夹角的大小与双晶叶片的晶界取向差成正比例关系；将蜡料注入所述双晶叶片模具中压制成所述双晶叶片蜡模；

步骤3，组合双晶叶片蜡模：

先将多个所述双晶叶片蜡模用焊蜡刀垂直焊接在上底板上；然后将下底板连接到所述籽晶上；所述下底板与所述上底板平行；所述籽晶与所述下底板连接紧密均匀；多个所述双晶叶片蜡模均匀轴对称垂直分布；多个所述双晶叶片蜡模的任何部分不得超出浇冒口的外径。

2.根据权利要求1所述的双晶叶片蜡模组合方法，其特征在于，在步骤2中，所述双晶叶片模具放置在压蜡机上，通过所述压蜡机压制成型所述双晶叶片蜡模。

3.根据权利要求2所述的双晶叶片蜡模组合方法，其特征在于，所述压蜡机上模板和下模板的温度为36℃~42℃，合模压力为38bar~48bar，蜡料温度为58℃~65℃，流量为28%~38%，注射压力为6bar~12bar，注射时间为20s~35s，注射蜡料后保压70s~100s。

4.根据权利要求3所述的双晶叶片蜡模组合方法，其特征在于，所述双晶叶片蜡模压制成型后，将所述双晶叶片蜡模从所述双晶叶片模具中取出；待所述双晶叶片蜡模冷却后，放入盒中待用。

5.根据权利要求1所述的双晶叶片蜡模组合方法，其特征在于，在步骤3中，焊缝小且平滑过渡；所述焊接的材料为熔化的粘结蜡，所述粘结蜡的熔化温度为82℃~88℃。

6.根据权利要求1所述的双晶叶片蜡模组合方法，其特征在于，在步骤3后，采用通用壳型制备工艺涂壳，获得双晶叶片壳型；采用单晶高温合金进行浇注，得到所述双晶叶片。

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