一种空心单晶涡轮工作叶片外形尺寸精确控制的方法
技术领域
本发明是一种空心单晶涡轮工作叶片外形尺寸精确控制的方法，属于航空发动机单晶高温合金涡轮叶片熔模精密铸造技术领域。
背景技术
航空发动机单晶高温合金涡轮工作叶片整体结构可划分为叶身、缘板及榫头部位，叶片叶身复合弯扭，且壁厚薄，从叶身到缘板存在明显的截面突变，即缘板和榫头的横截面尺寸明显大于叶身。目前，单晶涡轮工作叶片均采用熔模精密铸造工艺，主要工序包括模具设计制造、型芯制备、蜡模制备、型壳制备、熔炼浇注等。
在进行空心单晶涡轮工作叶片的蜡模压制模具(以下简称外形模具)设计时，有一关键技术环节是进行收缩系数的设置，因为在叶片的整个研制过程中，存在蜡模的收缩、液态金属的凝固收缩等，通过设置收缩系数以补偿蜡模收缩及液态金属凝固收缩等。
目前，单晶涡轮工作叶片收缩系数的设置均采用恒定数值，收缩系数的设置并未考虑叶片结构造成的影响。叶片蜡模的制备过程是将陶瓷型芯放入外形模具中，将具有一定温度(50℃～70℃)的蜡料注入到外形模具中，蜡料包裹型芯。从外形模具中取出叶片蜡模后，蜡模的温度逐渐降低至环境温度，蜡模会发生收缩。与叶片缘板及榫头相比，由于叶片叶身壁厚薄、且有陶瓷型芯的阻碍作用，使得叶身的收缩较小，而叶片缘板及榫头部位蜡模厚度大、热量积聚多、陶瓷型芯的阻碍作用小，使得缘板及榫头收缩较大。同样，在叶片熔炼浇注工序的定向凝固过程中，金属由液态凝固成固态亦发生收缩。与蜡模收缩相似，叶身液态金属的凝固收缩亦小于榫头及缘板。若叶片外形模具收缩系数设置为恒定数值，即叶身与缘板及榫头的收缩系数相同，必会导致叶片的型面尺寸较理论值偏差较大，造成叶身型面的轮廓度、扭转角、位置度等超差，后续工序必须通过手工打磨抛修调整叶身型面尺寸以满足叶片图样的要求，严重影响了单晶涡轮工作叶片的外形尺寸合格率。因此，空心单晶涡轮工作叶片收缩系数的合理设置是有效提高叶片合格率的关键因素之一。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种空心单晶涡轮工作叶片外形尺寸精确控制的方法，其目的是充分考虑叶片结构特征导致的收缩系数差异性，避免因收缩系数设置不合理导致叶身型面的轮廓度、扭转角、位置度等超差，提高叶片精铸件的尺寸符合性，满足先进航空发动机对单晶涡轮工作叶片尺寸精确控制的需求。
为了实现上述目标，本发明的技术方案是：
该种空心单晶涡轮工作叶片外形尺寸精确控制的方法的特征在于：在空心单晶涡轮工作叶片的蜡模压制模具的设计过程中，将叶片叶身作为一部分、叶片缘板及榫头作为另一部分，分别设置收缩系数，该设置方式采用以下方法之一：
第一种方式：当叶片叶身与叶片缘板及榫头收缩系数不同时，叶片缘板及榫头在积叠轴方向的收缩系数-叶片叶身在积叠轴方向的收缩系数＝0.1％～0.5％；
第二种方式：当叶片叶身与叶片缘板及榫头收缩系数相同时，叶片缘板及榫头部分的位置沿叶片积叠轴向叶身方向移动0.05mm～0.3mm；
所述收缩系数是指包含蜡料温度降低引起的收缩和金属由液体凝固成固态引起的收缩的综合收缩系数。
进一步，第一种方式中，叶片叶身部分在积叠轴方向的收缩系数设置为0.5％～2％。
进一步，第一种方式中，叶片缘板及榫头部分在积叠轴方向的收缩系数设置为0.5％～2.5％。
进一步，第一种方式中，叶片缘板及榫头在积叠轴方向的收缩系数-叶片叶身在积叠轴方向的收缩系数＝0.4％。
进一步，第二种方式中，叶片叶身部分和叶片缘板及榫头部分在积叠轴方向的收缩系数设置为0.5％～2％。
进一步，第二种方式中，叶片缘板及榫头部分的位置沿叶片积叠轴向叶身方向移动0.15mm。
进一步，第一种方式中，叶片叶身部分在积叠轴方向的收缩系数设置为1.4％。
进一步，第一种方式中，叶片缘板及榫头部分在积叠轴方向的收缩系数设置为1.6％。
本发明的优点及有益效果为：
通过将叶片叶身与缘板及榫头分开进行收缩系数设置，即将叶身与缘板及榫头设置不同的收缩系数，或叶身与缘板及榫头收缩系数相同，但缘板及榫头沿叶片积叠轴向叶身方向移动一定距离，消除因叶片结构特征造成的蜡模收缩及液态金属凝固收缩差异，大大提高了叶片精铸件的尺寸符合性。该方法的有益效果如下：
(1)本发明因充分考虑叶片结构特征导致的不同部位收缩系数差异性，避免了叶片型面轮廓度、扭转角、位置度等出现超差的情况，故无需再对叶片进行打磨抛修，有效避免了打磨抛修对叶片表面造成的损伤，保障了叶片的使用安全。
(2)本发明可实现叶片外形尺寸的精确控制，避免了多次尺寸测量与反复打磨抛修，提高了叶片精铸件的研制生产效率。
附图说明
图1为空心单晶涡轮工作叶片铸件示意图
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。
实施例1
参见附图1所示，本实施中以空心单晶涡轮工作叶片为例，其铸件具有叶片叶身1复合弯扭，且壁厚薄，叶片缘板2及榫头3厚大等特点，为了保证叶片外形尺寸满足叶片图样的要求，在进行单晶涡轮工作叶片外形模具设计时，将叶片叶身作为一部分、叶片缘板及榫头作为另一部分，分别设置收缩系数，具体为：叶片叶身1在积叠轴方向收缩系数为1.4％，叶片缘板2及榫头3在积叠轴方向收缩系数为1.8％，叶片缘板2及榫头3在积叠轴方向收缩系数-叶片叶身1在积叠轴方向收缩系数＝0.4％。
使用上述收缩系数设置方法制造的外形模具，通过熔模精密铸造工艺研制出空心单晶涡轮工作叶片，经三坐标测量机检测叶片外形尺寸，各检测截面的型面轮廓度、扭转角、位置度等均满足叶片图样的要求，表明上述方法可有效保障叶片的外形尺寸符合性。
实施例2：
参见附图1所示，本实施中以空心单晶涡轮工作叶片为例，其铸件具有叶片叶身1复合弯扭，且壁厚薄，叶片缘板2及榫头3厚大等特点，为了保证叶片外形尺寸满足叶片图样的要求，在进行单晶涡轮工作叶片外形模具设计时，将叶片叶身作为一部分、叶片缘板及榫头作为另一部分，分别设置收缩系数，
具体为：叶片叶身1在积叠轴方向收缩系数为1.6％，叶片缘板2及榫头3在积叠轴方向收缩系数为1.6％，叶片缘板及榫头部分的位置沿叶片积叠轴向叶身方向移动0.15mm。
采用本发明提出的空心单晶涡轮工作叶片外形尺寸精确控制的方法，能有效避免叶身型面的轮廓度、扭转角、位置度等出现超差情况，进而避免因需调整外形尺寸超差造成的手工打磨抛修，大幅提高了空心单晶涡轮工作叶片的外形尺寸合格率。
