单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺.pdf

本发明提供一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，通过在定位铂丝露出部分（尾端）加球形蜡件，其余露出部分刷薄蜡膜，在制壳时该部分被与型壳材料一样的耐火材料所包裹，脱蜡后形成端部球形空腔及铂丝侧面微空隙，该空腔及侧面微空隙在真空感应炉内制备单晶过程中形成绝热腔，避免了露出铂丝部分的热桥效应，从而避免了合金局部过冷的产生，抑制了杂晶的出现；另外，该空腔及铂丝侧面微空隙为铂丝的变形提供了释放空间，避免局部残余应力的产生，进而避免了叶片后序热处理过程中的再结晶产生。

权利要求书
1.  一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：该工艺在定位铂丝露出部分即尾端加球形蜡件，其余露出部分刷薄蜡膜，在制壳时该刷薄蜡膜部分被与型壳材料一样的耐火材料所包裹，脱蜡后形成端部球形空腔及铂丝侧面微空隙，该空腔及侧面微空隙在真空感应炉内制备单晶过程中形成绝热腔，具体为：（a）、制备含有型芯的叶片蜡模；（b）、在蜡模表面插入铂丝对型芯定位；（c）、在铂丝露出蜡模表面部分的端部焊接蜡球，剩余的铂丝部分侧面刷薄蜡膜；（d）、采用精密铸造工艺制备模壳；（e）、拉制单晶叶片；（f）、脱除型芯，然后去除芯撑。

2.  根据权利要求1所述的单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：该工艺的步骤如下：
（a）、制备含有型芯的叶片蜡模；将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，在型芯表面形成蜡模（2），蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃-68℃，压力为0.3-0.5MPa,注射时间为10-30秒,保压时间为10-30秒；
（b）、在蜡模表面插入铂丝对型芯定位；取蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，使铂丝插入端与陶瓷型芯（1）完全面接触；
（c）、在铂丝露出蜡模表面部分的端部焊接蜡球；在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球（5）；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜；
（d）、采用精密铸造工艺制备模壳；采用精密铸造方法制备模壳，面层涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比(3.0-3.5):1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料可采用刚玉粉、锆英粉、石英粉或上店粉其中的一种，撒砂材料为刚玉砂、锆英砂、石英砂、上店砂等其中的一种；然后将蜡模脱除，即脱蜡，采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃-170℃，压力3-7个大气压，时间为10-60分钟；
（e）、拉制单晶叶片；单晶铸造合金可采用N5、CMSX-4、DD6等常用单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为3mm/min-15mm/min;
（f）、脱除型芯，然后去除芯撑，铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脱除。

3.  据权利要求2的单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：（b）步骤中铂丝的直径为0.3-0.6mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为3-10mm。

4.  据权利要求2述的单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：（c）步骤中蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为1-3mm；铂丝其他露出蜡模表面所刷薄蜡膜的厚度0.1-0.3mm。

5.  据权利要求2述的单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：（d）步骤中模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850-980℃，保温时间为3-6小时，炉冷后对模壳进行清洗。

6.  据权利要求2述的单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：（f）步骤中碱质量浓度比为25-40%，温度为120℃-280℃，压力为0.3-0.5MPa，脱除时间2-50小时。

7.  根据权利要求2述的单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：（f）步骤进行之后叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为1-10%；叶片表面残余铂丝打磨去除。

说明书单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺
技术领域
本发明提供一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，属于高温合金技术领域。
背景技术
单晶镍基高温合金具有优良的高温性能。目前，已成为先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。由于航空发动机的高进气温度要求，叶片材料还必须采用气体冷却技术才能满足使用需求。因此，空心单晶叶片在现代发动机中获得了广泛应用。
空心单晶叶片一般采用精密铸造方法制备。空心部分采用陶瓷型芯形成。在熔模制备过程中，虽然通过合理选择型芯定位端与型壳之间的连接方式能对型芯的位移起一定的制约作用，但由于陶瓷型芯往往有较大的长度与宽度比，而型壳对型芯的固定力度仍然明显不足，很难满足熔模铸造对陶瓷型芯位移限制的苛刻要求。为最大减少或消除型芯位移，要求用芯撑对型芯的关键部位进行定位于加固。实际生产中常常采用金属铂丝对型芯定位。由于单晶镍基高温合金成分异常复杂，通常含有十个以上的元素，如Ni、Al、Ti、Ta、W、Mo、Cr、Co、C、B、Re、Ru等，如第二代镍基单晶高温合金中含3wt%Re，第三代镍基单晶高温合金中含6wt%的Re，如CMSX-10、Rene N6、TMS-75等。单晶合金的凝固范围较宽，再加上金属铂丝芯撑露出叶片铸件表面的尾端在合金凝固时会形成导热桥梁而使局部导热加快，造成凝固过程中局部容易过冷而导致在铸件表面形核长成杂晶；还有铂丝芯撑露出叶片表面的尾端固定在模壳中，叶片表面凝固过程中会因形成局部残余应力进而导致叶片在热处理时形成再结晶等缺陷。因此，如何采用合理的铂丝固定工艺进而避免表面杂晶及后序热处理过程中再结晶是实际生产中必须解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其目的是为了避免叶片凝固过程中表面杂晶的形成以及后序热处理过程中再结晶缺陷的形成，满足高性能发动机对单晶涡轮叶片的需求。
技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的：
一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，其特征在于：该工艺在定位铂丝露出部分即尾端加球形蜡件，其余露出部分刷薄蜡膜，在制壳时该刷薄蜡膜部分被与型壳材料一样的耐火材料所包裹，脱蜡后形成端部球形空腔及铂丝侧面微空隙，该空腔及侧面微空隙在真空感应炉内制备单晶过程中形成绝热腔，具体为：（a）、制备含有型芯的叶片蜡模；（b）、在蜡模表面插入铂丝对型芯定位；（c）、在铂丝露出蜡模表面部分的端部焊接蜡球，剩余的铂丝部分侧面刷薄蜡膜；（d）、采用精密铸造工艺制备模壳；（e）、拉制单晶叶片；（f）、脱除型芯，然后去除芯撑。
该工艺的步骤如下：
（a）、制备含有型芯的叶片蜡模；将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，在型芯表面形成蜡模（2），蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃-68℃，压力为0.3-0.5MPa,注射时间为10-30秒,保压时间为10-30秒；
（b）、在蜡模表面插入铂丝对型芯定位；取蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，使铂丝插入端与陶瓷型芯（1）完全面接触；
（c）、在铂丝露出蜡模表面部分的端部焊接蜡球；在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球（5）；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜；
（d）、采用精密铸造工艺制备模壳；采用精密铸造方法制备模壳，面层涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比(3.0-3.5):1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料可采用刚玉粉、锆英粉、石英粉或上店粉其中的一种，撒砂材料为刚玉砂、锆英砂、石英砂、上店砂等其中的一种；然后将蜡模脱除，即脱蜡，采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃-170℃，压力3-7个大气压，时间为10-60分钟；
（e）、拉制单晶叶片；单晶铸造合金可采用N5、CMSX-4、DD6等常用单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为3mm/min-15mm/min;
（f）、脱除型芯，然后去除芯撑，铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脱除。
（b）步骤中铂丝的直径为0.3-0.6mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为3-10mm。
（c）步骤中蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为1-3mm；铂丝其他露出蜡模表面所刷薄蜡膜的厚度0.1-0.3mm。
（d）步骤中模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850-980℃，保温时间为3-6小时，炉冷后对模壳进行清洗。
（f）步骤中碱质量浓度比为25-40%，温度为120℃-280℃，压力为0.3-0.5MPa，脱除时间2-50小时。
（f）步骤进行之后叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为1-10%；叶片表面残余铂丝打磨去除。
优点及效果：本发明提供一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，通过在定位铂丝露出部分（尾端）加球形蜡件，其余露出部分刷薄蜡膜，在制壳时该部分被与型壳材料一样的耐火材料所包裹，脱蜡后形成端部球形空腔及铂丝侧面微空隙，该空腔及侧面微空隙在真空感应炉内制备单晶过程中形成绝热腔，避免了露出铂丝部分的热桥效应，从而避免了合金局部过冷的产生，抑制了杂晶的出现；另外，该空腔及铂丝侧面微空隙为铂丝的变形提供了释放空间，避免局部残余应力的产生，进而避免了叶片后序热处理过程中的再结晶产生。
附图说明：
图1为本发明芯撑与模壳结构示意图，其中1、型芯；2、蜡模；3、模壳4、铂丝；5、蜡球；
图2为芯撑结构示意图局部放大图，其中，1、型芯；2、蜡模；3、模壳；4、铂丝；5、蜡球；6、蜡膜；
图3为本发明与原始方法的效果对比图，其中(a)为传统工艺单晶铸件（芯撑处杂晶），(b)为新工艺单晶（芯撑处无杂晶）。
具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明涉及一种单晶空心涡轮叶片防表面杂晶与再结晶形成的制备工艺，该工艺的步骤如下：
（a）、制备含有型芯的叶片蜡模；将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，在型芯表面形成蜡模（2），蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃-68℃，压力为0.3-0.5MPa,注射时间为10-30秒,保压时间为10-30秒；
（b）、在蜡模表面插入铂丝对型芯定位；取蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，使铂丝插入端与陶瓷型芯（1）完全面接触；铂丝的直径为0.3-0.6mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为3-10mm;
（c）、在铂丝露出蜡模表面部分的端部焊接蜡球；在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球（5），蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为1-3mm；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜，厚度0.1-0.3mm；
（d）、采用精密铸造工艺制备模壳；采用精密铸造方法制备模壳，面层涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比(3.0-3.5):1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料可采用刚玉粉、锆英粉、石英粉或上店粉其中的一种，撒砂材料为刚玉砂、锆英砂、石英砂、上店砂等其中的一种；然后将蜡模脱除，即脱蜡，采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃-170℃，压力3-7个大气压，时间为10-60分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850-980℃，保温时间为3-6小时，炉冷后对模壳进行清洗；
（e）、拉制单晶叶片；单晶铸造合金可采用N5、CMSX-4、DD6等常用单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为3mm/min-15mm/min;
（f）、脱除型芯，然后去除芯撑，铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH或KOH的水溶液脱除，碱质量浓度比为25-40%，温度为120℃-280℃，压力为0.3-0.5MPa，脱除时间2-50小时；
叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为1-10%；叶片表面残余铂丝打磨去除。
实施例1：
将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃，压力为0.5MPa,注射时间为10秒,保压时间为10秒；取出蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，铂丝插入端与陶瓷型芯完全面接触；铂丝的直径为0.3mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为5mm;在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球，蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为1mm；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜，厚度0.1mm；采用精密铸造方法制备模壳，涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比3:1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用刚玉粉，撒砂材料为刚玉砂；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为150℃，压力3个大气压，时间为10分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850℃，保温时间为3小时，炉冷后对模壳进行清洗；单晶铸造合金可采用N5单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为3mm/min;铸造完毕后的陶瓷型芯采用KOH的水溶液脱除，碱浓度为25%（质量比），温度为120℃，压力为0.3MPa，脱除时间10小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为1%；叶片表面残余铂丝打磨去除。
实施例2
将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为65℃，压力为0.5MPa,注射时间为30秒,保压时间为30秒；取出蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，铂丝插入端与陶瓷型芯完全面接触；铂丝的直径为0.6mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为8mm;在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球，蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为3mm；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜，厚度0.3mm；采用精密铸造方法制备模壳，涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比3.5:1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用锆英粉，撒砂材料为锆英砂；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为170℃，压力7个大气压，时间为60分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为980℃，保温时间为6小时，炉冷后对模壳进行清洗；单晶铸造合金采用DD6单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为6mm/min;铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH的水溶液脱除，碱浓度为40%（质量比），温度为180℃，压力为0.5MPa，脱除时间20小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为2%；叶片表面残余铂丝打磨去除。
实施例3
将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为65℃，压力为0.3MPa,注射时间为20秒,保压时间为10秒；取出蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，铂丝插入端与陶瓷型芯完全面接触；铂丝的直径为0.4mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为6mm;在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球，蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为2mm；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜，厚度0.3mm；采用精密铸造方法制备模壳，涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比3:1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用上店粉，撒砂材料为上店砂；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为160℃，压力7个大气压，时间为12分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为900℃，保温时间为4小时，炉冷后对模壳进行清洗；单晶铸造合金采用CMSX-4单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为7mm/min;铸造完毕后的陶瓷型芯采用KOH的水溶液脱除，碱浓度为30%（质量比），温度为280℃，压力为0.5MPa，脱除时间15小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为5%；叶片表面残余铂丝打磨去除。
实施例4：
将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为68℃，压力为0.4MPa,注射时间为15秒,保压时间为20秒；取出蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，铂丝插入端与陶瓷型芯完全面接触；铂丝的直径为0.5mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为10mm;在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球，蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为1mm；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜，厚度0.2mm；采用精密铸造方法制备模壳，涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比3. 3:1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用刚玉粉，撒砂材料为刚玉砂；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为155℃，压力5个大气压，时间为30分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为880℃，保温时间为5小时，炉冷后对模壳进行清洗；单晶铸造合金可采用N5单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为15mm/min;铸造完毕后的陶瓷型芯采用KOH的水溶液脱除，碱浓度为35%（质量比），温度为150℃，压力为0.4MPa，脱除时间2小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为10%；叶片表面残余铂丝打磨去除。
实施例5：
将陶瓷型芯放置在蜡模模具中，蜡模采用注射成形方式成形，注射温度为63℃，压力为0.5MPa,注射时间为30秒,保压时间为30秒；取出蜡模，垂直于蜡模表面方向将铂丝插入蜡模中，插入的深度与蜡模厚度相等，铂丝插入端与陶瓷型芯完全面接触；铂丝的直径为0.6mm，铂丝露出蜡模表面部分的长度为3mm;在铂丝露出的端部采用液滴法制备蜡球，蜡球的球面与蜡模表面的最近距离h应不小于2mm, 铂丝的露出部分的端部中心位置与蜡球中心偏差不大于1mm，蜡球的直径为3mm；铂丝其他露出蜡模表面侧面部分刷一层薄蜡膜，厚度0.2mm；采用精密铸造方法制备模壳，涂料采用粉(320目)与硅溶胶溶液，粉液比3.5:1；撒砂第一层为80目砂，第二层为60目砂，第三层为32目砂，第四-第七层为24目砂，最后封浆层采用面层涂料；粉料采用锆英粉，撒砂材料为锆英砂；蜡模采用蒸汽法脱除，蒸汽温度为170℃，压力7个大气压，时间为30分钟；模壳脱蜡后将模壳放入焙烧炉中进行焙烧，焙烧温度为850℃，保温时间为6小时，炉冷后对模壳进行清洗；单晶铸造合金采用DD6单晶高温合金；定向凝固抽拉速度为5mm/min;铸造完毕后的陶瓷型芯采用NaOH的水溶液脱除，碱浓度为30%（质量比），温度为200℃，压力为0.5MPa，脱除时间50小时；叶片上残余碱液采用盐酸水溶液进行中和，盐酸溶液浓度为8%；叶片表面残余铂丝打磨去除。