葉片鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鑄造領(lǐng)域，具體涉及發(fā)動機(jī)葉片的精密鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金密度小，比強(qiáng)度高，耐腐蝕，由于該一系列優(yōu)異的特性，被廣泛地應(yīng)用于航空航天工業(yè)、能源工業(yè)、海上運(yùn)輸工業(yè)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(fā)動機(jī)葉片和燃?xì)廨啓C(jī)葉片。飛機(jī)發(fā)動機(jī)推重比是評價現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動機(jī)的主要指標(biāo)之一，它對飛機(jī)性能有著決定性的作用。當(dāng)前應(yīng)用于發(fā)動機(jī)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(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(jī)加工工時，大幅度降低生產(chǎn)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(shù)設(shè)計不合理，導(dǎo)致成型后的零件表面和內(nèi)部缺陷均比較多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種葉片的鑄造方法；為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種葉片的鑄造方法，包括模具設(shè)計、模具制造，原料熔煉，下料準(zhǔn)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；所述葉片為發(fā)動機(jī)葉片，其材質(zhì)為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為45?48%的鋁、5?6.8%的鈮、3.1 ?4.2%的鎂、V:1.2 ?1.5%, Ta:0.002 ?0.008%,0.10 ?0.28%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；
[0005]所述模具設(shè)計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)設(shè)計得到發(fā)動機(jī)葉片的CAD模型，采用現(xiàn)有快速成型工藝進(jìn)行快速成型，激光燒結(jié)逐層燒結(jié)直徑小于0.1mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進(jìn)行表面與內(nèi)部的清洗；
[0006]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(jìn)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?500°C中保溫2.5?3h，然后繼續(xù)升溫為820?870°C，保溫2.5?3h，繼續(xù)升溫為1050?1150°C，保溫2.5?3h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；
[0007]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(yīng)爐的坩堝熔煉室內(nèi)，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)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(jìn)行熔煉,熔煉完成后保溫10?15min,使得原料中的各元素均勻；
[0008]所述下料準(zhǔn)備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進(jìn)行預(yù)熱后下料，所述預(yù)熱的溫度為400?610°C ;
[0009]所述離心鑄造的工藝參數(shù)為，離心轉(zhuǎn)速為195rpm?385rpm，澆鑄時間為6?8s ;
[0010]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(yù)熱到910?990°C的模具中，然后在加熱爐內(nèi)加熱到1050?1150°C，然后進(jìn)行離心鑄造，離心轉(zhuǎn)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(jī)械方法清除型殼，將澆鑄系統(tǒng)切除，用高壓水切掉工藝邊，進(jìn)行噴砂處理；
[0011]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100?180MPa，保壓時間為3?6小時。
[0012]作為優(yōu)選，所述坩堝為水冷銅坩堝。
[0013]作為優(yōu)選，所述的惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)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?10 3mbar,如此反復(fù)共4?8次。
[0014]作為優(yōu)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。
[0015]作為優(yōu)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。
[0016]作為優(yōu)選，所述待熔煉的原材料為純鋁、鈮化鋁、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦。作為優(yōu)選，熱等靜壓之后還包括退火步驟，所述退火步驟為將熱等靜壓之后的葉片在退火爐中加熱到680?710°C，保溫60?180min后，出爐空冷直至室溫。
[0017]本發(fā)明的效果在于:通過特定的模具制造和設(shè)計過程，使得模具符合發(fā)動機(jī)葉片的特定需求；通過離心鑄造參數(shù)的設(shè)定，使得內(nèi)部缺陷得到很好的消除；通過二次成型和二次冷卻，使得內(nèi)部組織均勻穩(wěn)定且使得內(nèi)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(shù)的設(shè)定使得內(nèi)部微觀組織更加均勻；通過特定溫度和時間的退火處理，使得發(fā)動機(jī)葉片具有良好的強(qiáng)度和韌性。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
[0019]葉片的鑄造方法，包括模具設(shè)計、模具制造，原料熔煉，下料準(zhǔn)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；
[0020]所述葉片為發(fā)動機(jī)葉片，其材質(zhì)為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為46%的鋁、5.8%的鈮、3.8%的鎂、V:1.25%，Ta:0.0028%,0.18%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；
[0021]所述模具設(shè)計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)設(shè)計得到發(fā)動機(jī)葉片的CAD模型，采用現(xiàn)有快速成型工藝進(jìn)行快速成型，激光燒結(jié)逐層燒結(jié)平均直徑為
0.08mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進(jìn)行表面與內(nèi)部的清洗；
[0022]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(jìn)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480°C中保溫2.6h，然后繼續(xù)升溫為850°C，保溫2.8h，繼續(xù)升溫為1060°C，保溫2.7h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；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；其重量份比例為 3.9:1:0.0008:0.0009 ；
[0023]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(鈮鋁中間合金)、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦；將坩堝置于真空感應(yīng)爐的坩堝熔煉室內(nèi)，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)行6次的沖洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10 5mbar,然后充入IS氣至12mbar,然后再抽真空至10 5mbar,如此反復(fù)共6次；最終保持坩堝熔煉室的真空度為3x 10 4Hibar進(jìn)行熔煉，熔煉完成后保溫14min，使得原料中的各元素均勻；
[0024]所述下料準(zhǔn)備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進(jìn)行預(yù)熱后下料，所述預(yù)熱的溫度為510°C ；
[0025]所述離心鑄造的工藝參數(shù)為，離心轉(zhuǎn)速為285rpm，澆鑄時間為7s ;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(yù)熱到985°C的模具中，然后在加熱爐內(nèi)加熱到1080°C，然后進(jìn)行離心鑄造，離心轉(zhuǎn)速為355rpm ;所述第二次冷的步驟為，出爐空冷；所述切邊和噴砂的步驟為，采用機(jī)械方法清除型殼，將澆鑄系統(tǒng)切除，用高壓水切掉工藝邊，進(jìn)行噴砂處理；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160MPa，保壓時間為
4.5小時。
[0026]實(shí)施例2:
[0027]葉片的鑄造方法，包括模具設(shè)計、模具制造，原料熔煉，下料準(zhǔn)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；所述葉片為發(fā)動機(jī)葉片，其材質(zhì)為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為48%的鋁、5.9%的鈮、3.7%的鎂、V:1.35%, Ta:0.006%,0.28%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；
[0028]所述模具設(shè)計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)設(shè)計得到發(fā)動機(jī)葉片的CAD模型，采用現(xiàn)有快速成型工藝進(jìn)行快速成型，激光燒結(jié)逐層燒結(jié)平均直徑為
0.09mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進(jìn)行表面與內(nèi)部的清洗；
[0029]所述模具制造的步驟為，將熔模浸入到面層涂料中沾漿38s后取出，然后進(jìn)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490°C中保溫2.8h，然后繼續(xù)升溫為860°C，保溫2.7h，繼續(xù)升溫為1055°C，保溫2.8h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；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；其重量份比例為 4.0:1:0.0009:0.0008 ；
[0030]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(鈮鋁中間合金)、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦；將坩堝置于真空感應(yīng)爐的坩堝熔煉室內(nèi)，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)行5次的沖洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10 4mbar,然后充入氧氣至Ilmbar,然后再抽真空至10 4mbar,如此反復(fù)共5次；最終保持坩堝熔煉室的真空度為5x 10 4Hibar進(jìn)行熔煉，熔煉完成后保溫18min，使得原料中的各元素均勻；
[0031]所述下料準(zhǔn)備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進(jìn)行預(yù)熱后下料，所述預(yù)熱的溫度為520°C ；
[0032]所述離心鑄造的工藝參數(shù)為，離心轉(zhuǎn)速為295rpm，澆鑄時間為1s ;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(yù)熱到995°C的模具中，然后在加熱爐內(nèi)加熱到1070°C，然后進(jìn)行離心鑄造，離心轉(zhuǎn)速為365rpm ;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(jī)械方法清除型殼，將澆鑄系統(tǒng)切除，用高壓水切掉工藝邊，進(jìn)行噴砂處理；所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為990°C，熱等靜壓的壓力為165MPa，保壓時間為
4.6小時。
[0033]實(shí)施例3:葉片的鑄造方法，包括模具設(shè)計、模具制造，原料熔煉，下料準(zhǔn)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；所述葉片為發(fā)動機(jī)葉片，其材質(zhì)為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為45.2%的鋁、6.0%的鈮、3.9%的鎂、V:1.45%, Ta:0.0068%,0.38%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；所述模具設(shè)計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)設(shè)計得到發(fā)動機(jī)葉片的CAD模型，采用現(xiàn)有快速成型工藝進(jìn)行快速成型，激光燒結(jié)逐層燒結(jié)平均直徑為0.07mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進(jìn)行表面與內(nèi)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42s后取出，然后進(jìn)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490°C中保溫2.6h，然后繼續(xù)升溫為850°C，保溫2.6h，繼續(xù)升溫為1052°C，保溫2.6h，然后隨爐冷卻到室溫，得到模具；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；其重量份比例為4.1:1:0.0007:
0.0007 ;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(鈮鋁中間合金)、純碳、鎂鋁中間合金和海綿鈦；將坩堝置于真空感應(yīng)爐的坩堝熔煉室內(nèi)，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)行4次的沖洗，先將坩堝熔煉室抽真空至10 4mbar,然后充入氧氣至Ilmbar,然后再抽真空至10 4mbar,如此反復(fù)共4次；最終保持坩堝熔煉室的真空度為10 4Hibar進(jìn)行熔煉，熔煉完成后保溫19min，使得原料中的各元素均勻；
[0034]所述下料準(zhǔn)備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進(jìn)行預(yù)熱后下料，所述預(yù)熱的溫度為530°C ；
[0035]所述離心鑄造的工藝參數(shù)為，離心轉(zhuǎn)速為298rpm，澆鑄時間為Ils ;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(yù)熱到994°C的模具中，然后在加熱爐內(nèi)加熱到1072°C，然后進(jìn)行離心鑄造，離心轉(zhuǎn)速為368rpm ;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(jī)械方法清除型殼，將澆鑄系統(tǒng)切除，用高壓水切掉工藝邊，進(jìn)行噴砂處理；
[0036]所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為為992°C，熱等靜壓的壓力為168MPa，保壓時間為4.8小時。
【主權(quán)項】
1.一種葉片的鑄造方法，其特征在于，包括模具設(shè)計、模具制造，原料熔煉，下料準(zhǔn)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；所述葉片為發(fā)動機(jī)葉片，其材質(zhì)為鈦鋁鈮合金，所述鈦鋁鈮合金的組成按重量百分比為45?48%的鋁、5 ?6.8% 的鈮、3.1 ?4.2% 的鎂、V:1.2 ?1.5%，Ta:0.002 ?0.008%,0.10 ?.0.28%的碳，余量為鈦和不可避免的雜質(zhì)；所述模具設(shè)計的步驟為，采用水溶性型芯，采用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)設(shè)計得到發(fā)動機(jī)葉片的CAD模型，采用現(xiàn)有快速成型工藝進(jìn)行快速成型，激光燒結(jié)逐層燒結(jié)直徑小于0.1mm的聚苯乙烯粉，再浸蠟后制得熔模，然后對熔模進(jìn)行表面與內(nèi)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(jìn)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?500°C中保溫2.5?3h，然后繼續(xù)升溫為820?870°C，保溫2.5?3h，繼續(xù)升溫為1050?1150°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(yīng)爐的坩堝熔煉室內(nèi)，先采用惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)行4?8次的沖洗，最終保持坩堝熔煉室的真空度為10 5?10 3Hibar進(jìn)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(zhǔn)備的步驟為，用石棉包裹模具制造步驟得到的模具，進(jìn)行預(yù)熱后下料，所述預(yù)熱的溫度為400?610°C ;所述離心鑄造的工藝參數(shù)為，離心轉(zhuǎn)速為195rpm?385rpm，澆鑄時間為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(yù)熱到910?990°C的模具中，然后在加熱爐內(nèi)加熱到1050?1150°C，然后進(jìn)行離心鑄造，離心轉(zhuǎn)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(jī)械方法清除型殼，將澆鑄系統(tǒng)切除，用高壓水切掉工藝邊，進(jìn)行噴砂處理；所述熱等靜壓的步驟為，熱等靜壓的溫度為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(jù)權(quán)利要求1所述的葉片的鑄造方法，其特征在于，所述坩堝為水冷銅坩堝。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片的鑄造方法，其特征在于，所述的惰性氣體對坩堝熔煉室進(jìn)行4?8次的沖洗為，先將坩堝熔煉室抽真空至10 5?10 3mbar，然后充入氬氣至10?.14mbar,然后再抽真空至10 5?10 3mbar,如此反復(fù)共4?8次。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的葉片的鑄造方法，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(jù)權(quán)利要求4所述的葉片的鑄造方法，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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種葉片的鑄造方法，采用精密鑄造的方法鑄造葉片，其步驟包括模具設(shè)計、模具制造，原料熔煉，下料準(zhǔn)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，熱等靜壓等。通過上述工序保證了發(fā)動機(jī)葉片表面和內(nèi)部缺陷的良好的消除率且內(nèi)部微觀組織更加均勻。
【IPC分類】B22D13/00, B22D13/10
【公開號】CN105710332
【申請?zhí)枴緾N201410737565
【發(fā)明人】秦海鵬
【申請人】青島泰威機(jī)床有限公司