一种三联整铸定向凝固空心导向叶片的浇注系统
技术领域
本发明属于铸造高温合金技术领域，具体涉及一种叶身晶粒度为柱晶的大尺寸三联整铸空心叶片制备工艺。
背景技术
由于航空发动机工作于高温、高压及高转速的环境中，其制造技术在一定程度上体现了一个国家的工业水平，被誉为“工业之花”。而作为航空发动机中最核心热端部件之一的涡轮叶片，为航空发动机直接提供动力，其承温能力与可靠性对发动机推重比的提升至关重要。相比于传统的等轴晶高温合金，柱状晶的组织设计消除了横向晶界，使得叶片承温能力大幅提高。另一方面，为提高发动机的涡轮效率，降低导向叶片缘板间的漏气损失，多联叶片相比于传统的单联叶片具有明显的优势，因此对于多联整铸叶片的需求日益凸显。然而，世界上仅少数几个国家掌握了多联整铸叶片的制备工艺，相关技术细节高度保密。我国航空领域近些年发展势头迅猛，为实现高推重比发动机的设计方案，亟需攻克多联整铸空心叶片的制备工艺。
某型低压涡轮导向叶片为三联整体铸造结构的大尺寸空心叶片，其工艺难度主要体现在：1.三联叶片叶身存在各自的积叠轴，为同时保证各联叶片的晶粒度使其满足柱晶生长控制要求，需优化浇注系统设计及模组角度设计方案；2.传统每个模组一件叶片的方式生产效率较低，且模组位于炉腔中心区域，温度场分布不利于柱状晶生长；3.传统引晶结构设计多采用片状引晶条，考虑到对三联叶片的盆、背均需要引晶，在局部空间内的引晶条数目过多，不利于型壳干燥，进而导致叶片夹杂报废。因此，亟需研究一种定向柱晶的大尺寸三联空心叶片制备工艺，降低叶片铸件晶粒度、疏松等冶金缺陷报废率，在提高叶片铸造合格率的同时采用每组四件的组合方式提高生产效率，保障型号任务需求。
发明内容
本发明的目的在于针对目前叶身晶粒为柱状晶的多联整铸空心涡轮叶片普遍存在的疏松、晶粒度不合格等问题，以某三联整铸大尺寸空心叶片为例，提供一种浇注系统设计方案，在提高铸造合格率的同时缩短研发周期。
本发明的技术解决方案是：一种三联整铸定向凝固空心导向叶片的浇注系统，包括浇口杯、十字型横浇道、圆底盘、中柱管、引晶段、补缩片、叶片蜡模、补缩弯块、蜡棍，其中叶片蜡模包括小缘板、大缘板、叶身三联及叶身包裹的陶瓷型芯。所述十字型横浇道配合一组四件的浇注系统使用，浇道中心正上方连接浇口杯，正下方连接中柱管，十字浇道四端分别接单件叶片蜡模模组。所述叶片蜡模小缘板通过补缩片与横浇道相连，所述大缘板通过包裹芯头的引晶段与圆底盘相连，所述补缩弯块一端与大缘板的侧面相接，另一端通过蜡棍与小缘板侧面相接。
所述十字型横浇道为曲面，浇道中心与浇口杯连接位置的高度高于浇道四端与单件叶片蜡模模组连接位置的高度，由中心至四端的倾角为5°-40°，十字浇道整体厚度为5mm-15mm。
所述补缩弯块宽度为10mm-30mm，厚度为10mm-15mm。
所述引晶段沿大缘板侧型芯芯头的形状将其包裹住，厚度1mm-3mm，并在芯头进气边与排气边侧各挖一个直径2mm-4mm的定位点。
所述蜡棍直径3mm-8mm。
所述圆底盘直径300mm-500mm，在蜡制底盘内部嵌有金属材质圆板。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，通过优化引晶结构，采用包裹型芯芯头的一体化设计方案，在保证叶身晶粒度满足设计要求的前提下，解决了片状引晶条带来的局部空间型壳干燥较差的问题。在大缘板上翘一端引入补缩弯块，不仅将两联叶片将通道位置的局部热结引出，更具有集渣功能使叶片夹杂报废率降低20％。每组四件的浇注系统设计，不仅极大程度上提高了生产效率，且使得叶片铸件均匀地分布于炉腔内温度场较好的区域，改善了叶身晶粒度情况。本发明的实施，也为其他型号多联整铸空心叶片的工艺攻关提供了技术解决路径。
附图说明
图1一组四件的三联整铸叶片浇注系统设计方案。
图2三联整铸空心叶片蜡模模组结构设计方案主视图。
图3三联整铸空心叶片蜡模模组结构设计方案左视图。
1.浇口杯；2.十字型横浇道；3.圆底盘；4.中柱管；5.引晶段；6.补缩片；10.叶身蜡模；11.补缩弯块；12.蜡棍；13.陶瓷型芯
其中叶片蜡模10包含：7.小缘板；8.大缘板；9.叶身三联
具体实施方案
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案,但要求保护的范围并不局限于所述。
包括浇口杯、十字型横浇道、中柱管、叶片蜡模、补缩片、引晶段、补缩弯块、蜡棍、圆底盘，所述叶片蜡模由内含型芯的三联叶片叶身及大、小缘板组成，所述浇口杯接至十字形横浇道顶端，所述叶片蜡模大缘板侧通过包裹型芯芯头的引晶段与圆形底盘相接，所述叶片蜡模小缘板侧安装边通过补缩片与十字形横浇道下端相连，所述补缩弯块接于大缘板进气边侧即与小缘板间距离更近一侧，另一端通过蜡棍接至小缘板安装边侧面。
如图1-3所示，一种三联整铸定向凝固空心导向叶片的浇注系统，包括浇口杯1、十字型横浇道2、圆底盘3、中柱管4、引晶段5、补缩片6、叶片蜡模10、补缩弯块11、蜡棍12，其中叶片蜡模包括小缘板7、大缘板8、叶身三联9及叶身包裹的陶瓷型芯13。所述十字型横浇道2配合每个模组四件叶片的浇注系统使用，浇道中心正上方连接浇口杯1，正下方连接中柱管4，十字浇道四端分别接单件叶片蜡模模组。所述叶片蜡模小缘板7通过补缩片6与横浇道2相连，所述大缘板8通过包裹芯头的引晶段5与圆底盘相连，所述补缩弯块11一端与大缘板8的侧面相接，另一端通过蜡棍12与小缘板7侧面相接。采用本技术方案降低了叶片疏松、夹杂及晶粒度报废率，缩短了叶片研制周期，降低了生产成本。
所述十字型横浇道2为曲面，浇道中心与浇口杯连接位置的高度高于浇道四端与单件叶片蜡模模组连接位置的高度，由中心至四端的倾角为5°-40°，十字浇道整体厚度为5mm-15mm。十字浇道中心至四端的倾角小于5°或其厚度小于5mm时合金液流速较慢，容易在叶片薄壁位置产生欠铸，十字浇道中心至四端的倾角大于40°时整体模组高度过高，易造成模组结构不稳而导致漏钢，当十字浇道厚度大于15mm时母合金浪费较多。
所述补缩弯块11宽度为10mm-30mm，厚度为10mm-15mm，当补缩弯块宽度及厚度过小时，其补缩能力有限，仍然易导致缘板疏松缺陷的出现，当补缩弯块宽度大于30mm时，相邻弯块间距过近可能影响叶身晶粒生长，当补缩弯块厚度大于15mm时易造成母合金的浪费较多。
所述引晶段5沿大缘板侧型芯芯头的形状将其包裹住，厚度1mm-3mm，并在芯头进气边与排气边侧各挖一个直径2mm-4mm的定位点。包裹芯头的设计方案有效简化了引晶结构，改善了局部空间干燥性，但厚度小于1mm时引晶效果欠佳，厚度大于3mm时对于柱状晶的选晶能力有限，易形成杂晶及大角度晶界。定位点的直径小于2mm时易导致型芯偏芯，而其直径大于4mm时易造成过度定位而导致浇注断芯。
所述蜡棍12直径3mm-8mm，大于8mm时易影响局部温度场进而形成不合格叶身晶粒形态，小于3mm时合金液流通性不足无法对缘板8进行有效补缩。
所述圆底盘3直径300mm-500mm，底盘直径大于500mm时定向凝固抽拉过程的温度梯度较低，易形成不合格晶粒形态与缘板疏松缺陷，直径小于300mm时整体空间不足，无法实现每组四件叶片的设计方案。在蜡制底盘内部嵌有金属材质圆板，防止底盘变形造成底浮漏钢。
