[发明专利]钛铝基合金飞机发动机叶片的熔模精密铸造方法

说明书

技术领域

本发明涉及采用熔模精密铸造工艺生产TiAl基合金飞机发动机叶片。

背景技术

近年来，钛铝基合金因其密度低、比强度和比模量高，具有较好的抗氧化和蠕变性能以及优异的疲劳性能，在汽车行业、燃气轮机、航空发动机及火箭发动机等领域具有广阔的应用前景，引起国内外学者广泛研究。欧洲航天局于2004年启动了IMPRESS计划，子课题之一就是旨在掌握钛铝基合金航空发动机叶片和燃气轮机叶片。2006年美国波音公司宣布，其787民用客机使用的美国通用公司发动机低压涡轮后两级叶片将采用钛铝基合金，推动了全球钛铝基合金的应用热潮。飞机发动机推重比是评价现代飞机发动机的主要指标之一，它对飞机性能有着决定性的作用。目前世界先进发动机的推重比一般在7.5～9.0之间，美国F～119发动机这一数值能达到11.0。钛铝基合金密度大约是镍基高温合金的一半，使用它制作发动机高温部件能够从增加推力和降低重量两方面提高发动机推重比，对我国航空工业有着十分重要的作用。叶片是飞机发动机的关键零件之一。飞机发动机的叶片大小不同，形状各异。所有叶片都有一个特点：薄，加工时易变形。采用毛坯机加工方式加工叶片，加工工序比较复杂，加工效率低，从图纸到成品，一般都要经过40～60个工序。采用熔模精密铸造工艺制备TiAl基合金构件，特别是形状复杂的构件，可得到无余量或近无余量的精密复杂构件，大幅度减少金属损耗，提高材料的利用率，减少大量机加工工时，大幅度降低生产成本。

发明内容

为了解决由于飞机发动机叶片的形状各异、叶片薄，采用现有毛坯加工方式时，容易产生变形、加工工序复杂、加工效率低的问题，本发明提出一种钛铝基合金飞机发动机叶片的熔模精密铸造方法。

本发明的钛铝基合金飞机发动机叶片的熔模精密铸造方法采用水冷铜坩埚真空感应熔炼离心铸造的方法实现，其特征在于它的具体过程为：

将待熔炼的原材料加入水冷铜坩埚的熔炼室内；

采用氩气对水冷铜坩埚的熔炼室进行冲洗，将水冷铜坩埚的熔炼室抽真空至10^～5mbar～10^～2mbar，然后充氩气至5.50mbar～13mbar，再抽真空至10^～5mbar～10^～2mbar，如此反复2～6次，最后使水冷铜坩埚的熔炼室内的真空度保持在10^～5mbar～10^～2mbar之间；

对水冷铜坩埚内的原材料采用水冷铜坩埚感应熔炼炉进行熔炼，熔化功率为330～350kW，熔炼完成之后保温3～5min，使合金元素均匀化；

用石棉毡包裹铸造型壳，然后装入砂箱，用粒度为1mm～3mm的铝矾土砂作为埋箱材料，填砂造型；

采用离心浇铸的方法铸造飞机发动机叶片，离心铸造的工艺参数为：铸造型壳预热温度为400℃～600℃，离心转速180rpm～360rpm，浇铸过程在2～5秒完成；

浇铸后随炉冷却，铸件型壳用手工或机械方法清除，将浇铸系统切除，进行喷砂处理；

采用热等静压处理密封气孔、缩孔、缩松缺陷，热等静压温度为(1250±10)℃，热等静压100～150MPa，保压时间3～6小时，

所述原材料为海绵钛、高纯铝、电解铬、铝铌中间合金及稀土元素，其中，高纯铝的含量为46at.％～48at.％，所述电解铬的含量为1at.％～2at.％，所述铝铌中间合金的含量为1at.％～10at.％，所述稀土元素的含量为0.1at.％～0.3at.％，其余为海绵钛。

本发明采用熔模精密铸造技术制造飞机发动机叶片，所述熔模精密铸造技术能够生产出形状复杂、净成形或近净成形钛铝基合金结构件。本发明采用水冷铜坩埚真空感应熔炼和离心铸造的方式浇铸制造钛铝基合金飞机发动机叶片。本发明可以低成本地制备出表面质量良好的钛铝基合金飞机发动机叶片，使用该叶片可以实现发动机叶片减重50％左右，节省了能耗，提高了推重比。

本发明着眼于钛铝基合金熔炼工艺、浇铸系统的设计以及浇铸工艺参数方面对铸件成形率的影响，通过优化工艺参数，制备出表面质量较好的钛铝基飞机发动机叶片。

本发明的制造方法大大减少了加工工序、缩短了加工工时、提高了生产效率。具有工序简单、加工效率高，且加工成本低的优点。

附图说明

图1是本发明所述的铸造型壳的结构示意图，其中1是浇铸入口，2是飞机发动机叶片型壳，3是底注式浇铸系统。图2是采用本发明的方法获得的未经过抛光打磨处理的飞机发动机叶片的效果图。

具体实施方式