控制定向/单晶带冠工作叶片叶冠疏松的蜡模及制备方法与流程

本发明属于高温合金涡轮叶片精密铸造，具体涉及一种控制定向/单晶带冠工作叶片叶冠疏松的蜡模及制备方法。

背景技术：

1、众所周知，先进航空发动机低压涡轮工作叶片及涡轴、涡桨发动机动力涡轮工作叶片通常具有叶冠结构，以减少叶尖位置的漏气，进而减少燃气损失，提高涡轮效率，增加动力输出。但是叶冠结构的出现会导致涡轮工作叶片的截面面积发生突变，在定向凝固过程中温度场变化更加复杂，糊状区更宽，叶冠位置枝晶间难以得到有效补缩，从而在叶冠上产生大量的疏松。

2、疏松在叶片服役过程中很容易产生应力集中，成为裂纹源，导致叶片提前失效，进而危害发动机的服役安全，因此亟需开发一种避免叶冠疏松的带冠涡轮工作叶片及其制备方法，以有效控制在叶冠上产生疏松，这也是当前航空发动机涡轮工作叶片制造过程中亟需解决的技术难题。

3、申请公布号为cn108176817a的发明专利公开了一种细长薄壁带冠等轴晶铸造涡轮叶片的疏松控制方法，蜡模模组包括浇口杯、与浇口杯连通设置的横浇道、中柱管，横浇道包括榫头端横浇道和叶冠端横浇道，榫头端横浇道焊接叶片榫头内浇口，叶冠端横浇道焊接叶片叶冠内浇口，蜡模模组的组合方式为圆形模组或直板状模组；将蜡模模组涂挂耐火材料，干燥后进行脱蜡处理，预焙烧处理后得到型壳，在型壳上除叶身中段以外均包裹保温棉，叶身中段的长度为叶身长度的1/3，将包裹保温棉的型壳焙烧后进行重熔浇注，得到叶片铸件。该技术方案主要用于控制涡轮叶片的叶身产生疏松，但无法避免涡轮叶片的叶冠产生疏松。

4、申请公布号为cn101934366a的发明专利公开了一种带冠定向结晶涡轮叶片的凝固物、铸模和补缩方法，在补缩方法中，通过在叶片的下叶冠最高点旁设置侧补贴，并在侧补贴和下叶冠顶部设置叶冠补缩冒口，实现叶片在精铸过程中对下叶冠进行补缩；通过使叶片的直浇口设置在上叶冠上，并使直浇口的顶部连通至上圆板，实现对上叶冠进行补缩。该技术方案对于下叶冠来说，仅在下叶冠最高点旁设置侧补贴，难以实现完整或充足的补缩；对于上叶冠来说，在上叶冠上直接设置直浇口，在浇注时容易受到金属液冲击，影响补缩效果。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种控制定向/单晶带冠工作叶片叶冠疏松的蜡模，工作叶片蜡模包括榫头、缘板、叶身、叶冠和补缩结构，所述叶身与所述叶冠相互垂直，且所述叶身的底部与所述叶冠的上表面之间通过倒圆方式平滑过渡连接，在所述叶身的两侧一共设置至少一个所述补缩结构，所述补缩结构的一个侧边与所述叶身相连接、另一个侧边与所述叶冠相连接；所述榫头、所述缘板、所述叶身、所述叶冠和所述补缩结构一体成型，或者在所述榫头、所述缘板、所述叶身和所述叶冠一体成型后将所述补缩结构粘接在所述叶身的两侧。

2、优选的是，所述补缩结构位于所述叶身的前缘和尾缘之间1/5-4/5的区域；在所述叶身的同一侧，相邻两个所述补缩结构之间的弧线距离不小于所述叶身的前缘至尾缘之间弧线长度的1/5。

3、在上述任一方案中优选的是，所述补缩结构位于以与所述叶身相连接的侧边为旋转轴、以垂直于所述叶身切面的平面为基准旋转±40°的区域。

4、在上述任一方案中优选的是，所述补缩结构的形状为直角三角形平板形状或梯形平板形状；所述直角三角形平板形状补缩结构的两个直角边分别与所述叶身和所述叶冠相连接，两个直角边之间通过倒圆方式平滑过渡连接，斜边为直线或弧线；所述梯形平板形状补缩结构的两个直角边分别与所述叶身和所述叶冠相连接，两个直角边之间通过倒圆方式平滑过渡连接，斜边为直线或弧线，短边平行于与所述叶身相连接的直角边。

5、在上述任一方案中优选的是，所述直角三角形平板形状补缩结构的高度为所述叶身高度的0.2-0.6倍，即与所述叶身相连接的直角边长度为所述叶身高度的0.2-0.6倍；所述直角三角形平板形状补缩结构的宽度为，将与所述叶冠相连接的直角边延长至所述叶冠的边缘，所述叶身与所述叶冠边缘之间直线距离的0.25-1倍，即与所述叶冠相连接的直角边长度为所述叶身与所述叶冠边缘之间直线距离的0.25-1倍。

6、在上述任一方案中优选的是，所述直角三角形平板形状补缩结构靠近所述叶身一端的厚度为与其相连接的所述叶身厚度的0.5-1.2倍，所述直角三角形平板形状补缩结构靠近所述叶冠一端的厚度为与其相连接的所述叶身厚度的0.2-0.8倍；所述直角三角形平板形状补缩结构的整体厚度由靠近所述叶身一端的厚度向靠近所述叶冠一端的厚度平滑过渡。

7、在上述任一方案中优选的是，所述梯形平板形状补缩结构靠近所述叶身一端的高度为所述叶身高度的0.2-0.6倍，所述梯形平板形状补缩结构靠近所述叶冠一端的高度为靠近所述叶身一端高度的0.2-0.8倍，即与所述叶身相连接的直角边长度为所述叶身高度的0.2-0.6倍，靠近所述叶冠一端的短边长度为与所述叶身相连接的直角边长度的0.2-0.8倍；所述梯形平板形状补缩结构的宽度为，将与所述叶冠相连接的直角边延长至所述叶冠的边缘，所述叶身与所述叶冠边缘之间直线距离的0.25-1倍，即与所述叶冠相连接的直角边长度为所述叶身与所述叶冠边缘之间直线距离的0.25-1倍。

8、在上述任一方案中优选的是，所述梯形平板形状补缩结构靠近所述叶身一端的厚度为与其相连接的所述叶身厚度的0.5-1.2倍，所述梯形平板形状补缩结构靠近所述叶冠一端的厚度为与其相连接的所述叶身厚度的0.2-0.8倍；所述梯形平板形状补缩结构的整体厚度由靠近所述叶身一端的厚度向靠近所述叶冠一端的厚度平滑过渡。

9、本发明还提供一种控制叶冠疏松的定向/单晶带冠工作叶片的制备方法，采用上述任一项所述的控制定向/单晶带冠工作叶片叶冠疏松的蜡模制备而成，按照先后顺序包括以下步骤：

10、步骤一：按照设计的工作叶片蜡模结构，采用热压注成型方法压制工作叶片蜡模，并将若干个工作叶片蜡模组成模组；或者，采用热压注成型方法分别压制由榫头、缘板、叶身、叶冠一体成型的结构蜡模和补缩结构蜡模，然后按照设计的位置关系将补缩结构蜡模粘接在由榫头、缘板、叶身、叶冠一体成型的结构蜡模上，形成工作叶片蜡模，并将若干个工作叶片蜡模组成模组；

11、步骤二：将由若干个工作叶片蜡模组成的模组与其他组件组装在一起形成浇注系统，并采用熔模精密铸造方法制备浇注系统的型壳；

12、步骤三：待浇注系统的型壳制备结束后，将其放入真空感应熔炼设备中，并采用定向凝固方法浇注成形，脱壳后获得工作叶片铸件；

13、步骤四：对工作叶片铸件进行热处理，待热处理结束后，采用机械加工方法切除补缩结构，即可获得能够控制叶冠疏松的工作叶片。

14、优选的是，所述浇注系统包括浇口杯、浇道盘、支撑柱、下底板、若干个斜浇道、若干个引晶结构、若干个工作叶片蜡模；所述浇口杯、所述浇道盘、所述支撑柱和所述下底板自上而下依次连接，若干个所述工作叶片蜡模位于所述下底板和所述浇道盘之间，且沿着所述下底板的边缘均匀布置；所述工作叶片蜡模的底部通过所述引晶结构与所述下底板连接、顶部通过所述斜浇道与所述浇道盘连接。

15、采用定向凝固方法浇注成形，浇注材料为单晶高温合金或定向高温合金，定向凝固顺序自下而上依次为相同高度的引晶结构、相同高度的叶冠、相同高度的叶身和补缩结构、相同高度的缘板、相同高度的榫头、相同高度的斜浇道，浇注材料在浇注系统型壳中的每一个组件中都自下而上凝固。

16、本发明中，采用的热压注成型方法、熔模精密铸造方法、定向凝固方法、热处理、机械加工方法等均为传统工艺，对工艺流程、工艺参数、使用的设备等没有特殊要求，只要保证补缩结构的形状、尺寸、在工作叶片蜡模中的设置位置以及与叶身、叶冠的连接关系符合本发明的要求即可，补缩结构的尺寸主要随着工作叶片蜡模中叶身尺寸和叶冠尺寸的变化而变化。

17、本发明控制定向/单晶带冠工作叶片叶冠疏松的蜡模及制备方法，具有如下有益效果：

18、（1）本发明设计了特殊的补缩结构，并将一定数量的补缩结构设置在工作叶片蜡模的叶身与叶冠之间的区域，以优化叶片的定向凝固顺序，同时使叶冠部位得到充足的金属液补缩，进而解决了工作叶片中叶冠疏松的问题，同时也避免在叶身等位置出现疏松。

19、（2）本发明通过对补缩结构的形状、尺寸（包括高度、宽度、厚度等）进行特殊设计和严格限定，优化了工作叶片的定向凝固顺序，使定向凝固顺序更接近于理论状态，从而使叶冠得到充分补缩，而且在消除叶冠疏松的同时，也不会在其他位置产生疏松。

20、（3）本发明的补缩结构及蜡模压制、组模、浇注等，简单可靠、成本低、操作便捷，制备的叶片具有优异的性能，本发明在航空发动机涡轮工作叶片制造领域发挥了较大的应用和经济价值。