一种多层模组叠加蜡模结构及其高效制备单晶叶片的方法技术

本发明专利技术提供了一种多层模组叠加蜡模结构及其高效制备单晶叶片的方法，涉及航空发动机叶片精密铸造技术领域。本发明专利技术提供的多层模组叠加蜡模结构，包括自上而下依次连接的浇注系统蜡模、叶片蜡模、选晶器蜡模和激冷板蜡模；所述叶片蜡模包括自上而下依次连接的多层叶片蜡模。本发明专利技术在保证叶片生产能力相同的条件下，有效缩小了模组直径，降低了对激冷板和定向凝固炉型腔的尺寸要求；模组直径的缩小明显改善了定向凝固过程中温度场分布，改善了横向温度场均匀性，降低了等温线弯曲程度，提高了固液界面前沿温度梯度；显著减少了单晶叶片缺陷的产生，包括过渡段及平台处杂晶产生倾向的降低，有效提高了单晶叶片大批生产的合格率。有效提高了单晶叶片大批生产的合格率。有效提高了单晶叶片大批生产的合格率。

A multi-layer module superimposed wax mold structure and its efficient method for preparing single crystal blades

【技术实现步骤摘要】
一种多层模组叠加蜡模结构及其高效制备单晶叶片的方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机叶片精密铸造
，具体涉及一种多层模组叠加蜡模结构及其高效制备单晶叶片的方法。

技术介绍

[0002]单晶叶片是航空发动机的重要零件，航空发动机用单晶叶片一般采用熔模铸造法制备。首先进行模组的结构设计，压制蜡模并组合，蜡模模组经脱油脂处理后再经涂挂、撒砂、脱蜡、焙烧等步骤制备模壳，最后将熔融合金液浇入固定于高真空度定向凝固炉的模壳中，抽拉铸型至冷却区域，凝固完成后破真空取样。
[0003]其中，模组的结构设计作为单晶叶片生产的起始步骤，会直接影响单晶叶片的质量。目前，行业内大批量生产单晶叶片的模组结构普遍为单层模组，即叶片单层排布；在保证单晶叶片生产能力不变的条件下，单层模组的直径大，一方面要求激冷板和定向凝固炉型腔尺寸大，另一方面导致定向凝固过程中横向温度场分布不均匀，等温线发生弯曲，固液界面前沿温度梯度小，易出现过渡段及平台杂晶等凝固缺陷，制约了单晶叶片生产合格率。
[0004]中国专利CN107931523A和CN210730902U所公开的蜡模组树均为当前工业上普遍应用的单层模组结构，即叶片围绕模组中心单层排布；当面临大批量单晶叶片生产任务时，该种结构为提高生产能力而增加模组中叶片数量时，势必导致模组直径的增加，进而提高了对激冷板和定向凝固炉型腔尺寸的要求。
[0005]Xu等2014年在Metallurgical and Materials Transactions B发表的“Multiscale Modeling and Simulation of Directional Solidification Process of Turbine Blade Casting with MCA Method”中指出，模组中叶片数量较多时，定向凝固过程中叶片内部的温度场将会倾斜并弯曲。
[0006]李亚峰的博士学位论文“镍基单晶高温合金涡轮叶片平台杂晶缺陷研究”指出，弯曲的等温线会导致平台边角处优先过冷，达到过冷度后杂晶便形核，杂晶形成倾向随着等温线弯曲程度增大而增大。
[0007]综上，现有技术大批量制备单晶叶片时普遍使用的是单层模组，此种单层模组的直径较大，一方面要求激冷板和定向凝固炉型腔具有大的尺寸；另一方面造成定向凝固过程中的温度场分布的恶化，包括横向温度场不均匀、等温线弯曲与固液界面前沿温度梯度小，从而导致杂晶形成倾向的增加，严重降低了单晶叶片大批量生产的合格率。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种多层模组叠加蜡模结构及其高效制备单晶叶片的方法，采用本专利技术提供的多层模组叠加蜡模结构，可在保证叶片生产能力不变的条件下，有效缩小模组直径，缩小激冷板和定向凝固炉型腔尺寸，改善定向凝固过程温度场分布，减少凝固缺陷的产生，实现单晶叶片的高效制备。
[0009]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0010]本专利技术提供了一种用于制备单晶叶片的多层模组叠加蜡模结构，包括自上而下依次连接的浇注系统蜡模、叶片蜡模、选晶器蜡模和激冷板蜡模；
[0011]所述叶片蜡模包括自上而下依次连接的多层叶片蜡模。
[0012]优选地，所述浇注系统蜡模由浇口杯蜡模和绕所述浇口杯蜡模一圈分布的若干斜浇道蜡模构成；所述斜浇道蜡模的底端与顶层叶片蜡模的顶端相连，所述顶层叶片蜡模的底端与下一层叶片蜡模的顶端相连，以此类推，多层叶片蜡模在垂直方向上首尾相连。
[0013]优选地，还包括中柱蜡模；所述浇口杯蜡模、中柱蜡模和激冷板蜡模由上到下依次同轴心连接。
[0014]优选地，所述选晶器蜡模包括上部的螺旋段蜡模和下部的引晶段蜡模。
[0015]优选地，所述叶片蜡模的层数为两层。
[0016]本专利技术提供了一种单晶叶片的制备方法，包括以下步骤：
[0017]提供上述技术方案所述的多层模组叠加蜡模结构；
[0018]将所述多层模组叠加蜡模结构依次进行涂挂、撒砂、脱蜡和焙烧，得到模壳；
[0019]将熔融合金液浇注至所述模壳内，使熔融合金液自下而上定向凝固，脱壳后得到单晶叶片。
[0020]优选地，所述浇注和凝固均在定向凝固炉中进行；所述使熔融合金液自下而上定向凝固包括：在凝固过程中，将模壳向下抽拉至冷却区域。
[0021]优选地，所述抽拉的速率为50～150μm/s。
[0022]优选地，所述脱蜡为蒸汽法脱蜡。
[0023]优选地，在所述模壳内浇注熔融合金液前，还包括对所述模壳进行预热。
[0024]本专利技术提供了一种用于制备单晶叶片的多层模组叠加蜡模结构，包括自上而下依次连接的浇注系统蜡模、叶片蜡模、选晶器蜡模和激冷板蜡模；所述叶片蜡模包括自上而下依次连接的多层叶片蜡模。本专利技术提供的多层模组叠加蜡模结构在保证叶片生产能力相同的条件下，以叶片蜡模上下叠加的方式构建多层模组叠加蜡模结构，以两层模组叠加蜡模结构为例，可以将模组直径降低到单层模组的一半，有效缩小了模组直径，降低了对激冷板和定向凝固炉型腔的尺寸要求；模组直径的缩小明显改善了定向凝固过程中温度场分布，改善了横向温度场均匀性，降低了等温线弯曲程度，提高了固液界面前沿温度梯度；显著减少了单晶叶片缺陷的产生，能够降低过渡段及平台处杂晶产生倾向，有效提高单晶叶片大批生产的合格率。
附图说明
[0025]图1为实施例1的多层模组叠加蜡模结构示意图；图1中，1为浇注系统蜡模；1
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1为浇口杯蜡模；1
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2为斜浇道蜡模；2为叶片蜡模；3为选晶器蜡模；3
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1为螺旋段蜡模；3
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2为引晶段蜡模；4为激冷板蜡模；5为中柱蜡模；
[0026]图2为图1的俯视图；
[0027]图3为图1多层模组叠加蜡模结构中双层叠加叶片的细节展示图；
[0028]图4为熔融高温合金凝固至叶身处时，单层模组叶片(a)与双层模组叠加叶片下层叶片(b)与上层叶片(c)的温度场模拟结果对比图，标尺上、下限温度分别为合金的液、固相线温度；
[0029]图5为熔融高温合金凝固至叶片平台处时，单层模组叶片(a)与双层模组叠加叶片下层叶片(b)与上层叶片(c)的温度场模拟结果对比图，标尺上、下限温度分别为合金的液、固相线温度；
[0030]图6为单层模组叶片(a)和双层模组叠加叶片(b)的凝固晶粒模拟结果对比图。
具体实施方式
[0031]本专利技术提供了一种用于制备单晶叶片的多层模组叠加蜡模结构，包括自上而下依次连接的浇注系统蜡模、叶片蜡模、选晶器蜡模和激冷板蜡模；
[0032]所述叶片蜡模包括自上而下依次连接的多层叶片蜡模。
[0033]本专利技术提供的多层模组叠加蜡模结构包括浇注系统蜡模和与所述浇注系统蜡模底端相连的叶片蜡模。作为本专利技术的一个实施例，所述浇注系统蜡模由浇口杯蜡模和绕所述浇口杯蜡模一圈分布的若干斜浇道蜡模构成。作为本专利技术的一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制备单晶叶片的多层模组叠加蜡模结构，包括自上而下依次连接的浇注系统蜡模、叶片蜡模、选晶器蜡模和激冷板蜡模；所述叶片蜡模包括自上而下依次连接的多层叶片蜡模。2.根据权利要求1所述的多层模组叠加蜡模结构，其特征在于，所述浇注系统蜡模由浇口杯蜡模和绕所述浇口杯蜡模一圈分布的若干斜浇道蜡模构成；所述斜浇道蜡模的底端与顶层叶片蜡模的顶端相连，所述顶层叶片蜡模的底端与下一层叶片蜡模的顶端相连，以此类推，多层叶片蜡模在垂直方向上首尾相连。3.根据权利要求2所述的多层模组叠加蜡模结构，其特征在于，还包括中柱蜡模；所述浇口杯蜡模、中柱蜡模和激冷板蜡模由上到下依次同轴心连接。4.根据权利要求1所述的多层模组叠加蜡模结构，其特征在于，所述选晶器蜡模包括上部的螺旋段蜡模和下部的引晶段蜡模。5.根据权利要求1所述的多层模组叠加蜡模...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文超，郝文硕，撒世鹏，郭敏，苏海军，张军，刘林，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：