本發(fā)明屬于鑄造領(lǐng)域，涉及一種降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，適用于熔模鑄造用熔模精鑄高溫合金鑄件的型殼制備。

背景技術(shù)：

自上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用單晶高溫合金鑄件，如：推重比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)f119、f120、ge90、ej200、m88-2、p2000等。高強(qiáng)度是定向凝固用硅溶膠型殼的重要特點(diǎn)，這往往導(dǎo)致型殼的退讓性和潰散性差。此外，由于鑄造合金的熱膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陶瓷型殼，鑄件的凝固收縮必然被陶瓷型殼阻礙，這導(dǎo)致鑄件的應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，貯存一定的內(nèi)應(yīng)力。帶有塑性變形的鑄件在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。由于單晶合金不含或少量含有晶界強(qiáng)化元素，再結(jié)晶層成為性能薄弱的區(qū)域，這種區(qū)域往往對(duì)鑄件的高溫力學(xué)性能產(chǎn)生一些不利的影響。

為解決這一難題，人們通常從以下方面入手：

(1)在高溫?zé)崽幚碇皽p少或完全消除材料的塑性變形；

(2)采用合適的熱處理制度釋放材料的塑性變形儲(chǔ)存能，減少再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力；

(3)在鑄件表面涂敷涂層，增加再結(jié)晶界面能；

(4)調(diào)整合金成分，在合金中生成第二相粒子，對(duì)再結(jié)晶晶界形成釘扎，阻礙再結(jié)晶進(jìn)行。

為此采用的具體工藝方法有：

(1)通過(guò)腐蝕方法來(lái)去除表面變形層；

(2)對(duì)鑄件進(jìn)行預(yù)回復(fù)熱處理；

(3)對(duì)鑄件表面進(jìn)行滲碳；

(4)鑄件表面施加滲層

上述方法的應(yīng)用都一定程度上減少鑄件再結(jié)晶，但是目前為止真正解決該問(wèn)題還需要更進(jìn)一步的工作，主要原因在于鑄造殘余應(yīng)力的消除十分困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，通過(guò)提高型殼退讓性使熔模鑄造過(guò)程中鑄件殘余應(yīng)力降低，從而抑制熱處理時(shí)的局部再結(jié)晶，提高鑄件的單晶完整性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，包括以下步驟：

第1步，進(jìn)行蠟?zāi)褐疲?/p>

第2步，分別配制面層涂料、過(guò)渡層涂料、中間層涂料和背層涂料；

第3步，將第1步中制成的蠟?zāi)ひ来谓氲?步制得的面層涂料、過(guò)渡層涂料、中間層涂料和背層涂料中并撒砂，制成型殼模型；

第4步，對(duì)第3步中制成的型殼模型進(jìn)行蒸氣脫蠟處理；

第5步，將第4步中經(jīng)過(guò)脫蠟處理的型殼在高溫爐中進(jìn)行焙燒后即得到所需要的復(fù)合型殼。

所述的降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，在制備過(guò)程中，涂料采用的耐火原料為熔融石英粉或電熔剛玉粉，熔融石英粉或電熔剛玉粉的粒度為320目；撒砂采用的耐火原料為熔融石英砂或電熔剛玉砂，熔融石英砂或電熔剛玉砂的粒度為16～100目。

所述的降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，優(yōu)選的，熔融石英粉作為型殼的夾層來(lái)使用。

所述的降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，第2步中，根據(jù)以下步驟進(jìn)行涂料配制：

(1)用電熔剛玉粉、硅溶膠粘結(jié)劑、潤(rùn)濕劑和消泡劑配制面層涂料，電熔剛玉粉和硅溶膠粘結(jié)劑的重量比例范圍為3～4：1，潤(rùn)濕劑和消泡劑比例為硅溶膠體積的0.4～0.6％，保證料漿粘度在30～35秒；

(2)用電熔剛玉粉和硅溶膠粘結(jié)劑配制過(guò)渡層涂料，電熔剛玉粉和硅溶膠粘結(jié)劑的重量比例為2～3：1，粘度在20～22秒；

(3)用熔融石英粉和硅溶膠粘結(jié)劑配制中間層涂料，電熔剛玉粉和硅溶膠粘結(jié)劑的重量比例為1～1.5：1，粘度在10～12秒；

(4)用電熔剛玉粉和硅溶膠粘結(jié)劑配制背層涂料，電熔剛玉粉和硅溶膠粘結(jié)劑的重量比例為1～1.5：1，粘度在10～12秒。

所述的降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，第3步中，根據(jù)以下步驟進(jìn)行涂料涂掛與撒砂：

(1)將第1步制得的蠟?zāi)で逑锤蓛艉笸耆氲?步中制得的面層涂料后提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂后，進(jìn)行干燥處理制得第一層型殼模型；

(2)將干燥的第一層型殼模型完全浸入第2步中制得的過(guò)渡層涂料后提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂后，進(jìn)行干燥處理制得第二層型殼模型；

(3)將干燥的第二層型殼模型完全浸入第2步中制得的中間層涂料后提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂后，進(jìn)行干燥處理制得第三層型殼模型，再經(jīng)過(guò)一次相同處理后得到第四層型殼模型；

(4)將干燥的第四層型殼模型完全浸入第2步中制得的背層涂料后提出，在其表面均勻撒上電熔剛玉砂后，進(jìn)行干燥處理制得第五層型殼模型，再經(jīng)過(guò)一次相同處理后得到第六層型殼模型；

(5)將干燥的第六層型殼模型浸入第2步中制得的背層涂料后提出，干燥后制成所需的型殼模型。

所述的降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，第4步中，蒸氣脫蠟的釜壓力為0.5～0.7mpa，脫蠟時(shí)間為10～20分鐘。

所述的降低高溫合金單晶鑄件再結(jié)晶傾向性的復(fù)合模殼制備方法，第5步中，根據(jù)以下步驟進(jìn)行焙燒：保持焙燒溫度為800～850攝氏度，并保溫1～5h，最后爐冷到小于200攝氏度出爐即得復(fù)合模殼。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：

1、本發(fā)明采用電熔剛玉和熔融石英兩種材料制備的熔模精鑄用復(fù)合型殼，制備方法包括壓制蠟?zāi)?、配制面層涂料、過(guò)渡層涂料、中間層涂料以及背層涂料，以及將蠟?zāi)ひ来谓肷鲜鐾苛喜⑷鱿鄳?yīng)的砂子干燥后制成型殼模型、型殼模型脫蠟和焙燒等五個(gè)步驟。該技術(shù)解決現(xiàn)有型殼的退讓性和潰散性差的缺點(diǎn)，采用其作為熔模精鑄的模殼后，高溫合金單晶鑄件收縮受阻區(qū)的鑄造殘余應(yīng)力顯著減小，從而消除后續(xù)熱處理所引起的鑄件再結(jié)晶缺陷，保證鑄件毛坯的單晶完整性，顯著提高鑄件合格率。

2、本發(fā)明通過(guò)優(yōu)化制殼用耐火材料來(lái)提高型殼退讓性的技術(shù)，其復(fù)合層采用熔融石英。采用該方法后，鑄件的殘余應(yīng)力大幅度降低，熱處理時(shí)的再結(jié)晶缺陷得到徹底解決。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例下定向凝固后的復(fù)合型殼退讓性示意圖。

圖2為普通型殼和本發(fā)明復(fù)合型殼的鑄件單晶完整性示意圖。(a)普通型殼的葉片產(chǎn)生再結(jié)晶晶粒；(b)復(fù)合型殼的葉片無(wú)再結(jié)晶晶粒。

具體實(shí)施方式

在具體實(shí)施過(guò)程中，本發(fā)明采用在型殼制備過(guò)程中對(duì)耐火材料進(jìn)行優(yōu)化的技術(shù)來(lái)抑制鑄件的再結(jié)晶，所選用的耐火材料是電熔剛玉和熔融石英，其設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)降低型殼強(qiáng)度來(lái)提高其潰散性或退讓性從而降低對(duì)鑄件的作用力，進(jìn)而減小鑄件的塑性變形及后續(xù)熱處理導(dǎo)致的再結(jié)晶缺陷；同時(shí)，利用相變來(lái)促進(jìn)型殼的體積變化從而降低清除殘余型殼的沖擊力導(dǎo)致的鑄件塑性變形。其中，降低型殼強(qiáng)度的原理是：利用耐火材料的熱膨脹性能差異，在焙燒或預(yù)熱過(guò)程中使型殼內(nèi)部形成均勻分布的微裂紋，降低型殼強(qiáng)度；利用鑄件澆注后型殼內(nèi)的由熔融石英轉(zhuǎn)化而成的方石英的相變來(lái)進(jìn)一步降低型殼的低溫強(qiáng)度，有利于清殼。

下面結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明定向凝固高溫合金鑄件抑制再結(jié)晶的具體實(shí)施方式，但定向凝固高溫合金鑄件抑制再結(jié)晶的具體實(shí)施方式不局限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例

本實(shí)施例中，定向凝固高溫合金鑄件(本實(shí)施例合金牌號(hào)：dd407)抑制再結(jié)晶的方法依次采用的步驟如下：

(1)涂料制備

a)面層涂料的配制：先將定量的硅溶膠倒入涂料桶內(nèi)，再依次加入各占硅溶膠0.3vol.％的潤(rùn)濕劑和消泡劑，同時(shí)開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，邊攪拌邊緩慢加入3倍于硅溶膠重量的電熔剛玉粉，經(jīng)攪拌48小時(shí)后，通過(guò)加入蒸餾水調(diào)整粘度約30～35秒。

b)過(guò)渡層涂料的配制：先將定量的硅溶膠倒入涂料桶內(nèi)，同時(shí)開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，邊攪拌邊緩慢加入2倍于硅溶膠重量的電熔剛玉粉，經(jīng)攪拌48小時(shí)后，通過(guò)加入蒸餾水調(diào)整粘度約20～22秒。

c)中間層涂料的配制：先將定量的硅溶膠倒入涂料桶內(nèi)，同時(shí)開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，邊攪拌邊緩慢加入1倍于硅溶膠重量的熔融石英粉，經(jīng)攪拌48小時(shí)后，通過(guò)加入蒸餾水調(diào)整粘度約10～12秒。

d)背層涂料的配制：先將定量的硅溶膠倒入涂料桶內(nèi)，同時(shí)開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，邊攪拌邊緩慢加入1.5倍于硅溶膠重量的電熔剛玉粉，經(jīng)攪拌48小時(shí)后，通過(guò)加入蒸餾水調(diào)整粘度約10～12秒。

(2)涂料涂掛與撒砂

a)將清洗后的模組緩慢浸入面層涂料內(nèi)10～15秒后，取出模組，使模組均勻的覆蓋一層涂料，再把模組送入雨淋式撒砂機(jī)內(nèi)，使表面均勻覆蓋一層100目電熔剛玉砂，然后將模組放在涂料架上自然干燥大于12小時(shí)(本實(shí)施例為16小時(shí))，制得第一層型殼模型，其厚度為0.1～0.2mm。環(huán)境濕度為55～65％，而溫度為21～23攝氏度，風(fēng)速小于0.5米/秒(本實(shí)施例為0.3米/秒)。

b)吹去表面浮砂后將模組浸入過(guò)渡層涂料，操作同面層涂料，掛60目電熔剛玉砂后將模組放在涂料架上自然干燥大于8小時(shí)(本實(shí)施例為12小時(shí))，制得第二層型殼模型，其厚度為0.5～1mm。環(huán)境濕度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風(fēng)速為3～5米/秒。

c)吹去表面浮砂后將模組浸入中間層涂料，操作同面層涂料，掛30～60目電熔剛玉砂后將模組放在涂料架上自然干燥大于8小時(shí)(本實(shí)施例為12小時(shí))，制得第三層型殼模型，其厚度為1～1.5mm。環(huán)境濕度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風(fēng)速為3～5米/秒。

d)重復(fù)步驟c)，制得第四層型殼模型，其厚度為1～1.5mm。

e)吹去表面浮砂后將模組浸入背層涂料，操作同面層涂料，掛60目電熔剛玉砂后將模組放在涂料架上自然干燥大于8小時(shí)(本實(shí)施例為12小時(shí))，制得第五層型殼模型，其厚度為1～2mm。環(huán)境濕度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風(fēng)速為3～5米/秒。

f)重復(fù)步驟e)，制得第六層型殼模型，其厚度為1～2mm。

g)吹去表面浮砂后將模組浸入背層涂料，干燥大于48小時(shí)(本實(shí)施例為56小時(shí))，制成所需的型殼模型，其總體厚度為7～9mm。環(huán)境濕度為45～55％，而溫度為21～23攝氏度，風(fēng)速為3～5米/秒。

(3)型殼脫蠟與焙燒

a)型殼脫蠟前澆口杯清理在制殼間操作，除掉型殼澆口杯端部殘余型殼，澆口杯外沿用砂輪修磨平齊，清理澆口杯壁上的浮砂。脫蠟時(shí)，葉身可以?xún)A斜，澆口杯朝下放置。溫度設(shè)定170±5℃，壓力0.6～0.65mpa，放氣閥自動(dòng)放氣，型殼脫蠟時(shí)間：10～20min。

b)將型殼放入焙燒爐中，3h左右升溫至(820±20)℃，保溫(3h±10min)，隨爐冷卻至200℃以下時(shí)出爐。

(4)澆注

在熔煉室內(nèi)將合金熔化，溫度為1530℃；靜置兩分鐘后，將合金液注入型殼中；啟動(dòng)真空泵，抽去鑄型室的一氧化碳?xì)怏w；打開(kāi)閥門(mén)，向鑄型室注入空氣，以5mm/min的速度向下移動(dòng)鑄型室直到完成拉晶；

(5)熱處理

對(duì)單晶合金葉片進(jìn)行熱處理：1300℃/3h，ac.(氣冷至室溫)+1080℃/5h，ac.(氣冷至室溫)+870℃/16h，ac.(氣冷至室溫)。

(6)腐蝕

鑄件再結(jié)晶檢查采用宏觀腐蝕方法，化學(xué)腐蝕用配方為硝酸：氫氟酸：蒸餾水的體積比＝1：1：2；中和液為碳酸氫鈉(濃度1～2wt％)水溶液；腐蝕液要浸沒(méi)鑄件，能夠看清表面晶粒情況時(shí)停止腐蝕，撈出鑄件，即刻放入中和液中浸泡3～5分鐘。撈出中和好的鑄件，放入清潔、流動(dòng)的水中清洗，同時(shí)用毛刷刷洗鑄件表面氧化物直至清洗干凈，清洗時(shí)間大于10分鐘(本實(shí)施例為15分鐘)。

如圖1所示，優(yōu)化制殼材料能顯著提高型殼的潰散性，定向凝固后的復(fù)合型殼具有良好潰散性。如圖2(a)-(b)所示，普通型殼的葉片產(chǎn)生再結(jié)晶晶粒，本發(fā)明復(fù)合型殼制備鑄件經(jīng)熱處理后的葉片應(yīng)力集中點(diǎn)處無(wú)再結(jié)晶晶粒缺陷。