[发明专利]一种定向凝固涡轮叶片的顶注式充型系统

说明书

本发明公开了一种定向凝固涡轮叶片的顶注式充型系统，其通过在浇口杯的下方设置一个上大下小结构的直浇道，会对落下的金属液产生越来越大的限流作用，有效地消除了一部分紊流，消除了飞溅效应，减少了夹杂和氧化物的产生。每个铸件型腔的顶部通过向上倾斜设置的内浇道与直浇道的底部连通，且内浇道布置了过滤网，形成了较大的上坡阻力，会进一步地降低金属液的流速，进一步消除了紊流，金属液中的夹杂物有很大的机会附着在内浇道的内壁上。并且，金属液从内浇道流入铸件型腔时会产生虹吸效应，再次限制了金属液的流速，避免在最后充型阶段金属液在重力作用下加速下落而与铸件型腔的底部产生碰撞而导致夹杂物再次产生，进一步降低了夹杂报废率。

技术领域

本发明涉及涡轮叶片的熔模铸造技术领域，特别地，涉及一种定向凝固涡轮叶片的顶注式充型系统。

背景技术

工业上，航空发动机燃气涡轮叶片的铸造通常在真空炉中进行，其铸型为耐火材料烧结而成的陶瓷型壳，采用熔模工艺制备。在真空炉中(残余大气压力约为1～10Pa)，涡轮叶片的关键铸造过程依次为：模壳预热到一定温度、母合金在坩埚中感应重熔、坩埚倾转将金属液浇入模壳浇口杯、模壳内部的充型系统引导金属液进入零件型腔、零件型腔充型、零件凝固、模壳冷却。在倾倒金属液时，坩埚边沿到模壳浇口杯的高度距离通常大约在0.5m以上，在重力作用下，这样的高度会赋予金属液相当高的降落速度，导致金属液与静止的浇口杯内壁或其它部位接触时会产生显著的飞溅和紊流。这种飞溅和紊流一方面会显著增加模壳损坏的可能，导致模壳表层耐火材料可能解体而进入金属液成为夹杂，另一方面还会显著增加金属液与真空中残余大气反应的几率，由此会产生额外氧化物，它们被紊流卷入金属液后，会进一步损坏金属液的质量。这些夹杂与氧化物，即使尺寸小如约0.1mm，如果不加以控制而进入铸件型腔，就极有可能出现在技术条件不允许出现的部位，导致涡轮叶片铸件的报废。然而在实际工业生产中，受设备尺寸的影响，真空炉中如此高的倾倒高度无法避免。因此，将金属液从浇口杯引导进入叶片铸件型腔的充型系统就变得极为重要。也就是说，必须在充型系统中设置有效的夹杂物和氧化物控制措施，防止它们从浇口杯进入铸件型腔。然而，现行充型系统对此似乎并没有足够的重视。

例如，图1为一种常见的定向涡轮叶片用模壳的顶注式充型系统的结构纵剖示意图。实际生产中，底部结晶器为圆盘状(直径约180～300mm)且水平放置，叶片铸件型腔通常有8～16个，在结晶器上表面沿圆周均匀分布。每个铸件型腔上方设置有补缩冒口，补缩冒口与中心浇口杯出口之间通过横浇道连接。此外，为加强模壳结构强度，相邻冒口之间通常还会相互连接。显而易见，对于该顶注式充型系统，高速的金属液流首先会冲击浇口杯内的陶瓷滤网导致飞溅，随后被滤网分散成较细的液流，从滤网下方喷射而出，然后冲入横浇道继续造成飞溅，继而通过补缩冒口，最终降落到铸件型腔底部开始充型。直到铸件型腔、补缩冒口和横浇道依次被充满，充型才结束。

但是，这种顶注式充型模式导致了以下问题：(1)由于金属液流的高速冲击，夹杂并没有太多机会附着在滤网上，因此陶瓷滤网并不能发挥有效的夹杂过滤效果。(2)叶片型腔的优先充型会导致横浇道中金属液一直非常浅，即在叶片型腔被充满之前，横浇道顶面始终无法接触金属液，这会带来两个显著的不利效应：其一，由于金属液较浅，滤网下方喷射出的液流直接冲击底部的模壳面，增加模壳面分解产生夹杂的风险；其二，横浇道的顶面无法为金属液流动提供额外阻力，因此金属液在横浇道中不会被有效减速，高速降落产生的紊流无法被消除，从而被卷入的夹杂也难以因浮力而自动从金属液中分离。(3)紊乱的液流通过补缩冒口后，在重力的作用下继续加速进入铸件型腔，导致铸件的充型一直在混乱中进行，加剧了缺陷发生的可能。(4)陶瓷模壳内部原本残存有气体，还有模壳受金属液加热的再次放气，这些气体在充型时需要排出。然而在这种自顶向下的充型模式下，气体只能逆着金属液的流向而寻找出路。逆行的气体倾向于加剧金属液的紊流，增加氧化物的额外形成，而未能成功排出的气体也倾向于残留在铸件中形成气孔。生产实践证明，由这样的顶注式充型系统制造的定向叶片铸件通常具有很高的报废率，其中夹杂是最常见的报废因素。

发明内容