一种铸造高温合金薄壁性能试样制备方法

摘要

本发明属于铸造高温合金薄壁力学性能测试技术，涉及对铸造高温合金薄壁力学性能试样制备方法的改进。本发明首先制备一套管状试样模具，然后按照熔模铸造的程序，依次制备型芯、蜡模和壳型，再按照所模拟叶片的熔铸工艺在真空感应炉内熔化合金，浇注壳型，获得试样毛坯，按照所模拟叶片的热处理制度对试样毛坯进行热处理，然后对试样两头机加工。本发明的管状试样在持久试验过程中的受力状态与空心叶片在高温下承受纵向离心力的受力状态基本相同，测试的性能数据可以代表叶片的实际性能。利用这种数据设计叶片，其安全可靠性更有保证。

权利要求

1.一种铸造高温合金薄壁性能试样制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

1.1、制造模具；制备一套制造管状试样的模具，包括一套形成试样内孔的型芯模具，和一个形成试样外形的外型模具；外型模具的内腔尺寸d和长度L根据力学性能试验的试样标准确定，型芯模具的内腔尺寸d1根据试样壁厚尺寸δ而定，d1＝d-2δ，型芯模具的长度为L，对于所模拟的叶片需要试验的不同部位壁厚，需要制备与之对应的不同试样，即需要制备内腔尺寸不同的一套型芯模具，每个型芯模具对应一个壁厚数值；制造型芯的材料与制造所模拟的空心叶片用的型芯材料相同，使用SiO2基或Al2O3基的型芯材料；

1.2、制备陶瓷型芯；采用气压法或液压法在普通压力机上压制型芯，该型芯经高温焙烧后便可用于制造组合蜡模，其制备工艺与所模拟的叶片陶瓷型芯的制备工艺相同；

1.3、制备带有型芯的管状试样蜡模，并组合成蜡模组；管状试样蜡模采用熔模铸造工艺中通用的蜡料和压制方法来制造；

1.4、制备管状试样的陶瓷壳型；采用熔模铸造工艺中通用的陶瓷壳型制造方法制造；

1.5、采用无余量精铸工艺浇注管状试样毛坯；在真空感应炉内熔化铸造高温合金锭，然后浇注试样毛坯；所使用的铸造高温合金和工艺步骤与所模拟的叶片相同；

1.6、对管状试样毛坯进行真空热处理；热处理制度与所模拟的叶片的热处理制度相同；

1.7、机械加工；对管状试样两头加工螺纹，管状试样的工作部位不进行机械加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的铸造高温合金是等轴晶铸造合金、定向凝固合金和单晶高温合金其中之一。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对管状试样毛坯进行真空热处理时，热处理工艺与所模拟的叶片相同，并与叶片同炉进行热处理。

说明书

一种铸造高温合金薄壁性能试样制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于铸造高温合金薄壁力学性能测试技术，涉及对铸造高温合金薄壁力学性能试样制备方法的改进。

背景技术

[0002] 目前，许多现代燃气涡轮发动机都采用铸造高温合金(包括等轴晶铸造合金、定向凝固合金和单晶高温合金)作为涡轮叶片材料，因此，其涡轮叶片都采用熔模精密铸造方法制成。随着发动机性能的不断提高，其涡轮前温度越来越高，于是，叶片结构也由实心叶片发展到内部气冷的空心叶片，而且随着涡轮工作温度的提高，叶片的内部气冷通道越来越复杂，叶身壁厚也越来越薄，有些叶片的叶身部位甚至薄至0.6mm。因此，制造这类叶片的铸造高温合金的薄壁力学性能倍受关注。多年来，有许多人对此进行过不懈的研究。但是，传统的研究方法都是采用由厚壁板坯机加二而成所需壁厚的薄板试样来测试合金的力学性能。参见文献Winston M.R.，Northwood J.E.，Solidification Technology in the Foundry and Cast House，Coventry，England：The Metals Society，1980：280和韩希鹧，管文彪，宋克强，李晋年，铸造高温合金论文集，北京：中国科学技术出版社，1993：194。也有人试图模拟空心叶片的形状和尺寸，采用由厚壁管坯机加工而成所需壁厚的管状试样来测试力学性能。参见文献Henderson F.J.，Lindblom J.，Linde L.，In：Earthman J.C.et.al eds.，Creep and Fracture of Engineering Materials and structures，TMS 1997：697。但是，上述的传统方法所测试的结果的实用性一直受到质疑。尤其是，由于现代先进发动机涡轮叶片采用先进的无余量熔模铸造工艺来铸造，叶身部位不加工，所以，上述的机加工薄板试样和管状试样的组织状态和表面状态与这类叶片的实际状态相差较大。铸造高温合金的性能对于显微组织因素是极其敏感的，上述两种试样的组织状态与无余量精铸空心叶片的组织状态的差异，势必造成力学性能上有明显的不同，也就是说，采用传统的方法测试的薄壁不能真正代表空心叶片的实际性能。为了适应涡轮叶片结构和铸造工艺的发展，有必要寻找新的方法来研究铸造高温合金的薄壁力学性能，使测试结果尽可能代表薄壁空心叶片的实际性能。

发明内容

[0003] 本发明的目的是：提出一种采用模拟空心叶片的壁厚、状态和熔铸工艺制备无余量精铸管状试样的方法。用此方法所测试的结果可基本上代表所模拟的空心叶片的实际性能，保证了叶片设计的安全可靠性。

[0004] 本发明的技术方案是：一种铸造高温合金薄壁性能试样制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

[0005] 1、制造模具；制备一套制造管状试样的模具，包括一套形成试样内孔的型芯模具，和一个形成试样外形的外型模具；外型模具的内腔尺寸d和长度L根据力学性能试验的试样标准确定，型芯模具的内腔尺寸d1根据试样壁厚尺寸δ而定，d1＝d-2δ，型芯模具的长度为L，对于所模拟的叶片需要试验的不同部位壁厚，需要制备与之对应的不同试样，即需要制备内腔尺寸不同的一套型芯模具，每个型芯模具对应一个壁厚数值；制造型芯的材料与制造所模拟的空心叶片用的型芯材料相同，使用SiO2基或Al2O3基的型芯材料；

[0006] 2、制备陶瓷型芯；采用气压法或液压法在普通压力机上压制型芯，该型芯经高温焙烧后便可用于制造组合蜡模，其制备工艺与所模拟的叶片陶瓷型芯的制备工艺相同；

[0007] 3、制备带有型芯的管状试样蜡模，并组合成蜡模组；管状试样蜡模采用熔模铸造工艺中通用的蜡料和压制方法来制造；

[0008] 4、制备管状试样的陶瓷壳型；采用熔模铸造工艺中通用的陶瓷壳型制造方法制造；

[0009] 5、采用无余量精铸工艺浇注管状试样毛坯；在真空感应炉内熔化铸造高温合金锭，然后浇注试样毛坯；所使用的铸造高温合金和工艺步骤与所模拟的叶片时相同；

[0010] 6、对管状试样毛坯进行真空热处理；热处理制度与所模拟的叶片的热处理制度相同；

[0011] 7、机械加工；对管状试样两头加工螺纹，管状试样的工作部位不进行机械加工。

[0012] 本发明的优点是：本发明的管状试样壁厚与所模拟叶片的叶身壁厚很相近，而且采用的熔铸工艺和热处理工艺与所模拟的叶片相近，管状试样在持久试验过程中的受力状态与空心叶片在高温下承受纵向离心力的受力状态基本相同，所以测试的性能数据可以代表叶片的实际性能。利用这种数据设计叶片，其安全可靠性更有保证。

附图说明

[0013] 图1是形成管状试样内孔的型芯模具示意图。其中(a)为形成管状试样内孔的型芯，(b)为型芯模具。

[0014] 图2是熔模铸造管状试样的蜡模的模具示意图。其中(a)为管状试样的蜡模，(b)为蜡模模具。

[0015] 图3是管状试样的蜡模和模组的示意图。其中(a)为管状试样的蜡模，(b)为模组。

[0016] 图4是熔模铸造而成的管状试样毛坯和加工螺纹后备用的管状试样的示意图。其中上图为管状试样毛坯，下图为管状试样成品。

[0017] 图5是应用本发明的方法研究一种定向凝固高温合金的薄壁性能的结果。

[0018] 图6是应用本发明的方法研究另一种定向凝固高温合金的薄壁性能的研究结果。

具体实施方式

[0019] 下面对本发明做进一步详细说明。本发明的试样制备方法，其特征在于，制备的步骤如下：

[0020] 1、制造模具；制备一套制造管状试样的模具，包括一套形成试样内孔的型芯模具，参见图1，和一个形成试样外形的外型模具，参见图2。这两种模具最好用碳钢例如45号钢制成。外型模具的内腔尺寸d和长度L根据力学性能试验的试样标准确定，例如，其工作部位尺寸为Φ10mm、长度为100mm的异形试样。型芯模具的内腔尺寸则根据试样壁厚尺寸而定，型芯模具的内腔尺寸d1根据试样壁厚尺寸δ而定，d1＝d-2δ，型芯模具的长度为L，对于所模拟的叶片需要试验的不同部位壁厚，需要制备与之对应的不同试样，即需要制备内腔尺寸不同的一套型芯模具，每个型芯模具对应一个壁厚数值。例如，若要得到与叶片各部位壁厚近似的试样壁厚0.8mm、1.2mm和1.6mm，那么就要分别做出内腔尺寸为Φ8.4×100、Φ7.6×100和Φ6.8×100的三套型芯模具。制造型芯的材料与制造所模拟的空心叶片用的型芯材料相同，使用SiO2基或Al2O3基的型芯材料。

[0021] 2、制备陶瓷型芯；采用气压法或液压法在普通压力机上压制型芯，该型芯经高温焙烧后便可用于制造组合蜡模，其制备工艺与所模拟的叶片陶瓷型芯的制备工艺相同。

[0022] 3、制备带有型芯的管状试样蜡模，并组合成蜡模组；管状试样蜡模采用熔模铸造工艺中通用的蜡料和压制方法来制造。图3示出带有陶瓷型芯的试样蜡模和蜡模组。

[0023] 4、制备管状试样的陶瓷壳型；采用熔模铸造工艺中通用的陶瓷壳型制造方法制造。制好试样蜡模(图3a)并组合成模组(图3b)后，便可按照与所模拟叶片相同的工艺，包括陶型材料和壳型厚度和焙烧温度，制备管状试样的壳型。

[0024] 5、采用无余量精铸工艺浇注管状试样毛坯；在真空感应炉内熔化铸造高温合金锭，然后浇注试样毛坯；所使用的铸造高温合金和工艺步骤与所模拟的叶片时相同。将制备好的壳型和制造所模拟叶片的合金锭块一并置入真空感应炉内，按照所模拟叶片完全相同的熔炼和浇注参数，即合金精炼温度、浇注温度、炉内停留时间和出炉后冷却环境等，浇注试样壳型，获得试样毛坯，见图4上图，将该毛坯脱除型芯后便可进入下一步热处理工序。

[0025] 6、对管状试样毛坯进行真空热处理；热处理制度与所模拟的叶片的热处理制度相同。试样热处理制度与所模拟叶片完全相同。由于该叶片是无余量铸造成的，叶身不加工，故通常在真空热处理炉内进行热处理。本发明的管状试样也与叶片一样在真空炉内进行热处理，热处理制度与叶片相同。对管状试样毛坯进行真空热处理时，最好与所模拟的叶片同炉进行热处理。

[0026] 7、机械加工；试样毛坯经过热处理后，需要在其两端加工出可与力学性能试验机的夹头相配合的螺纹，但其工作部位不加工。

[0027] 本发明方法的具体应用是针对某种制造无余量精铸空心叶片的合金而实施的，所述合金是等轴晶铸造合金、定向凝固合金和单晶高温合金。

[0028] 实施例

[0029] 实施例1，按照本发明的方法，制成了3种壁厚不同的DZ125定向凝固高温合金的精制薄壁管状试样，该合金是制造某航空发动机高压涡轮叶片的材料，所述的管状试样的壁厚分别为0.8mm、1.2mm和1.6mm，设计的这种壁厚尺寸与上述叶片的叶身各部位的尺寸大致相同。如前所述，该试样的铸造、熔炼和热处理工艺，与所模拟叶片的相同。试样的工作部位与叶身一样不进行机加工。因此其表面状态和内部组织状态与上述叶片基本相同。用上述的管状试样在900℃/370MPa的条件测试持久性能，结果示于图5。图中也示出在相同工艺条件下制成的用于检验叶片力学性能的Φ5mm标准试样的持久性能，以资比较。从图5可以看出，不同壁厚的管状试样所测的持久性能基本相当，这意味着虽然叶片各部位壁厚不同，但它们之间的性能差异不大，这符合叶片等强设计的原则。

[0030] 实施例2，在现代先进的燃气涡轮发动机的叶片设计中，为了提高叶片内部气冷的效率，通常在叶身排气边两侧设置几排激光加工的Φ0.5mm气膜冷却孔。为了弄清该叶片设置冷却孔对于性能的损害程度，按照本发明方法，制取了两种壁厚为1.2mm的带有冷却孔的管状试样，一种是在一个横截面只有一个冷却孔，另一种是在一个横截面带有两个冷却孔，孔的尺寸和设置的角度以及加工方法与上述叶片是相同的。当然，试样的其他表面状态和组织状态也与叶片相同。试样在900℃/370MPa的条件下测试持久性能，结果示于图6。可以看出，只设置一个冷却孔的试样，持久性能与不设置冷却孔的试样相当，而在一个横截面上设置两个冷却孔的试样，持久寿命和延伸率稍有下降。分析认为，这种性能的降低乃是承载面积减小造成的。由于试样的壁厚和状态与叶片相同，故上述试验结果使叶片设计师对于设置冷却孔可能造成的叶片力学性能的降低做到心中有数，从而采取必要措施保障叶片工作安全可靠性。