阅读说明：本技术 一种控制涡轮叶片晶粒度的方法 (Method for controlling grain size of turbine blade ) 是由 任维鹏 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明是一种涡轮叶片晶粒度的控制方法,所述涡轮叶片是采用熔模精密铸造工艺加工,其特征在于：该方法是在型壳的制备过程中,将涡轮叶片的蜡模模组中榫头和其它需在铸造过程中细化晶粒的部位浸入作为面层浆料的细化剂浆料,使浸入部分与细化剂浆料充分接触；所述细化剂浆料的配制是在1升硅溶胶中,加入3～6公斤的白刚玉粉和0.5～3公斤的铝酸钴。本发明解决了一般工艺条件下等轴晶涡轮叶片铸造中叶片叶身与厚大榫头部位晶粒度难以兼顾的难题,获得的榫头表面细晶、叶身粗晶的涡轮叶片,其榫头疲劳性能优良,同时叶身具有较好的高温强度,保证了叶片使用可靠性。(The invention relates to a method for controlling the grain size of a turbine blade, wherein the turbine blade is processed by adopting an investment precision casting process, and is characterized in that: in the method, in the preparation process of a shell, a tenon in a wax mold module of a turbine blade and other parts needing grain refinement in the casting process are immersed into refiner slurry serving as surface layer slurry, so that the immersed part is fully contacted with the refiner slurry; the refiner slurry is prepared by adding 3-6 kg of white corundum powder and 0.5-3 kg of cobalt aluminate into 1 liter of silica sol. The invention solves the problem that the grain sizes of the blade body and the thick and large tenon part are difficult to be considered in the casting of the equiaxial crystal turbine blade under the general process condition, and the obtained turbine blade with the fine-grain tenon surface and the coarse-grain blade body has excellent tenon fatigue performance, and simultaneously the blade body has better high-temperature strength, thereby ensuring the use reliability of the blade.)

一种控制涡轮叶片晶粒度的方法

技术领域

本发明是一种控制涡轮叶片晶粒度的方法，涉及熔模精密铸造技术领域。

背景技术

航空发动机和燃气轮机涡轮叶片工作时，受高温、离心力、震动和热疲劳等的作用，因此叶片需要具有高强度，足够塑性和冲击韧性，良好抗氧化性、热疲劳性能和组织稳定性，涡轮叶片通常采用高温合金制造。在中低温条件下工作的低压涡轮叶片以及部分中高温条件下工作的高压涡轮叶片一般采用等轴晶铸造。

晶粒尺寸对合金的力学性能有较大的影响。在中高温条件下，晶界扩散会明显加快，成为薄弱环节，导致合金强度降低，因此，大尺寸晶粒能提高合金的高温性能。而在低温状态下，尺寸较小的晶粒能改善某些力学性能，例如疲劳性能。

通常叶片叶身处于相对较高的温度环境，粗大晶粒对性能有利，叶片榫头在其温度远低于叶身的温度下工作，而且它基本上是承受疲劳载荷的，期望获得细小的晶粒组织。

在普通熔模精铸工艺生产条件下，叶片铸件晶粒一般较为粗大，采用特定的工艺铸造时，可获得细小的晶粒组织。为了获得良好的疲劳性能和可靠性，中低温条件下工作的低压涡轮叶片一般采用表面细晶铸造技术。对于中高温条件下工作的高压涡轮叶片，若采用等轴晶铸造，则一般不采用表面细晶工艺，而是控制叶身为粗晶组织，以保证高温强度。

对于中高温条件下工作的等轴晶铸造高压涡轮叶片，相同铸造条件下，相对于壁薄的叶身，厚度较大的榫头部位晶粒会显著增大，对于与涡轮盘相连的处于中低温区的叶片榫头性能是不利的。因此，需要采用特定工艺处理，控制叶身为粗晶，同时应避免榫头出现异常增大的晶粒，这样可以保证叶身高温强度的同时避免降低榫头的疲劳性能，从而保证叶片使用可靠性并能延长叶片使用寿命。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种控制涡轮叶片晶粒度的方法，其目的是通过简单可行、低成本的工艺方法获得叶身和榫头分别具有适当晶粒度等级的等轴晶铸造涡轮叶片。

为了实现上述目的，本发明技术方案的内容如下：

该种控制涡轮叶片晶粒度的方法中，所述涡轮叶片是采用熔模精密铸造工艺加工，其特征在于：该方法是在型壳的制备过程中，将涡轮叶片的蜡模模组中榫头和其它需在铸造过程中细化晶粒的部位浸入作为面层浆料的细化剂浆料，使浸入部分与细化剂浆料充分接触；

所述细化剂浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入3～6公斤的白刚玉粉和0.5～3公斤的铝酸钴。

在一种实施中，涡轮叶片的蜡模模组完成细化剂浆料的浸渍后，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒砂，并进行干燥，清除残余砂粒后，将涡轮叶片的蜡模模组其余裸露蜡的部位浸入不含细化剂的普通面层浆料，使浸入部分与普通面层浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒砂，并进行干燥；

所述普通面层浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入3～6公斤的白刚玉粉。

在一种实施中，在涡轮叶片的蜡模模组进行细化剂浆料的浸渍前，将涡轮叶片的蜡模模组中不需在铸造过程中细化晶粒的部位浸入作为面层浆料的普通面层浆料，使浸入部分与普通面层浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒砂，并进行干燥，清除残余砂粒后，再进行细化剂浆料的浸渍；

所述普通面层浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入3～6公斤的白刚玉粉。

在一种实施中，将完成面层浆料浸渍的蜡模模组浸入背层浆料，使蜡模模组表面与浆料充分接触，取出蜡模模组，通过撒砂机均匀向蜡模模组表面撒砂，并进行干燥。

在一种实施中，所述背层浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入2～5公斤的莫来石粉。

在一种实施中，不同面层浆料在浸渍时，在交接处保证有5mm以上宽度的重叠覆盖区域。

在一种实施中，所述熔模精密铸造中的型壳加热温度为950～1050℃。

在一种实施中，该方法的步骤如下：

步骤一、制备涡轮叶片的蜡模模组，转入型壳制备工序；

步骤二、将涡轮叶片的蜡模模组的榫头及其它需在铸造过程中细化晶粒的部位浸入作为面层浆料的细化剂浆料，使浸入部分与细化剂浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组后，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒砂，并进行干燥；

所述细化剂浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入3～6公斤的白刚玉粉和0.5～3公斤的铝酸钴；

步骤三、清除步骤二处理后的涡轮叶片的蜡模模组表面残余砂粒，尤其裸露蜡的部位要仔细清理干净，将清理干净的涡轮叶片的蜡模模组浸入不含细化剂的普通面层浆料，使浸入部分与普通面层浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒砂，并进行干燥，清除残余砂粒后，再进行细化剂浆料的浸渍；

所述普通面层浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入3～6公斤的白刚玉粉；

步骤四、将步骤三处理后的涡轮叶片的蜡模模组浸入背层浆料，使涡轮叶片的蜡模模组表面与背层浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒砂，并进行干燥；

所述背层浆料的配制是在1升硅溶胶中，加入2～5公斤的莫来石粉；

步骤五、将步骤四处理后的涡轮叶片的蜡模模组继续按步骤四完成所需型壳层数的制备；

步骤六、脱蜡，焙烧，制得铸件型壳；

步骤七、将步骤六所得型壳加热至950～1050℃后进行浇注。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明提供了一种涡轮叶片晶粒度的控制方法，操作步骤简单，主要为在型壳制备阶段通过采用细化剂浆料的涂敷工艺，配合熔炼浇注，实现叶身粗晶、榫头表面细晶的叶片晶粒度控制。细化剂浆料中的铝酸钴细化剂颗粒为非均匀形核的衬底，促进形核数量的增加，从而获得细晶组织。另外，本发明方法中，型壳面层制备分两次完成，可以首先将细化剂浆料涂敷于叶片榫头，撒砂干燥，清理残余砂粒后，将不带细化剂的面层浆料涂敷于叶身部位，撒砂干燥。榫头部位表面细化剂的作用可使得浇注后叶片榫头表面晶粒度小于2级，未使用细化剂的叶身部位晶粒度大于3级。

本发明解决了一般工艺条件下等轴晶涡轮叶片铸造中叶片叶身与厚大榫头部位晶粒度难以兼顾的难题，获得的榫头表面细晶、叶身粗晶的涡轮叶片，其榫头疲劳性能优良，同时叶身具有较好的高温强度，保证了叶片使用可靠性。

附图说明

图1是本发明所述涡轮叶片的蜡模模组蜡模表面涂敷区域的示意图，图中的细格区域为涂敷细化剂浆料的区域，图中，1、叶身；2、榫头；3、浇道；4、浇口杯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例I

本发明所述涡轮叶片晶粒度的控制方法的步骤如下：

1)制备涡轮叶片的蜡模模组，转入型壳制备工序；

2)将涡轮叶片的蜡模模组的榫头2及浇道3(必要时包括浇口杯4)局部浸入含有10％(质量分数)铝酸钴的白刚玉粉-硅溶胶浆料，使浸入部分与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组后，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒白刚玉砂，并进行干燥；

3)将步骤2)处理的涡轮叶片的蜡模模组清除残余砂粒，尤其裸露蜡的部位要仔细清理干净。将清理干净的涡轮叶片的蜡模模组整体浸入不含细化剂的白刚玉粉-硅溶胶面层浆料，使涡轮叶片的蜡模模组表面与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒白刚玉砂，并进行干燥；

4)将步骤3)处理的涡轮叶片的蜡模模组浸入莫来石粉-硅溶胶背层浆料，使涡轮叶片的蜡模模组表面与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒莫来石砂，并进行干燥；

5)将步骤4)处理的涡轮叶片的蜡模模组继续按步骤4)的方式完成后续4层型壳的制备；

6)将型壳放入脱蜡釜进行脱蜡，脱蜡蒸汽压力工艺范围为7～12bar。脱蜡完毕后放入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度范围为900～1000℃，焙烧时间为3～6h，制得铸件型壳；

7)将步骤6)所得型壳加热至1000℃，熔化母合金至1500℃，浇注成铸件。

实施例II

本发明所述涡轮叶片晶粒度的控制方法的步骤如下：

1)制备涡轮叶片的蜡模模组，转入型壳制备工序；

2)将涡轮叶片的蜡模模组叶身1部位浸入不含细化剂的白刚玉粉-硅溶胶面层浆料，使涡轮叶片的蜡模模组表面与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒白刚玉砂，并进行干燥；

3)将步骤2)处理的涡轮叶片的蜡模模组清除残余砂粒，尤其裸露蜡的部位要仔细清理干净。将清理干净的涡轮叶片的蜡模模组整体浸入含有10％(质量分数)铝酸钴的白刚玉粉-硅溶胶浆料，使浸入部分与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组后，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒白刚玉砂，并进行干燥；

4)将步骤3)处理的涡轮叶片的蜡模模组浸入莫来石粉-硅溶胶背层浆料，使涡轮叶片的蜡模模组表面与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒莫来石砂，并进行干燥；

5)将步骤4)处理的涡轮叶片的蜡模模组继续按步骤4)的方式完成后续4层型壳的制备；

6)将型壳放入脱蜡釜进行脱蜡，脱蜡蒸汽压力工艺范围为7～12bar。脱蜡完毕后放入焙烧炉进行焙烧，焙烧温度范围为900～1000℃，焙烧时间为3～6h，制得铸件型壳；

7)将步骤6)所得型壳加热至1000℃，熔化母合金至1500℃，浇注成铸件。

实施例III

本发明所述涡轮叶片晶粒度的控制方法的步骤如下：

针对实施例II中步骤3)，作如下改变：

将涡轮叶片的蜡模模组叶片榫头2等局部裸露蜡的部分浸入含有10％(质量分数)铝酸钴的白刚玉粉-硅溶胶浆料，保证与步骤2)中涂敷部位边缘有宽度5～15mm的覆盖区域，使浸入部分与浆料充分接触，取出涡轮叶片的蜡模模组后，通过撒砂机均匀向涡轮叶片的蜡模模组表面撒白刚玉砂，并进行干燥。

其余操作与实施例II相同。

上述系列实施例旨在对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。