一种定向凝固用陶瓷型壳的固定方法

技术领域

本发明涉及陶瓷型壳制备技术领域，具体涉及一种定向凝固用陶瓷型壳的固定方法，该方法适用于单晶、定向铸件陶瓷型壳的制备。

背景技术

随着航空发动机和燃气轮机进口温度的不断提高，对铸造高温合金的热端部件提出了更高的承温能力要求。铸造高温合金经历了从等轴晶到定向、单晶的发展。定向凝固技术是将型壳置于激冷盘之上，型壳在保温炉中加热到1500℃左右，然后将熔融的高温合金浇注到型壳内部，浇注温度一般为1500-1600℃。熔融的高温合金浇注后，需要将型壳继续在保温炉中加热，静置一段时间后(一般为10min)，以一定速率抽拉(一般为3-10mm/min)至保温炉底部的水冷(HRS工艺)套或者低熔点冷却介质(LMC工艺)中，从而实现铸件的定向凝固。

与等轴晶铸件的型壳不同，定向以及单晶型壳的最大特点是，除了浇冒口是开放的区域以外，在型壳下部，即铸件的起晶段或者螺旋选晶器的底部必须开口：当型壳放置在激冷盘之上，熔融的高温合金浇注到型壳内部时，高温合金会在型壳下部的开口处与激冷盘接触并快速凝固，产生一层激冷晶粒。另外，由于激冷盘温度很低，对高温合金产生纵向的温度梯度，激冷层晶粒竞争生长，从而产生定向柱晶组织，或者经过螺旋选晶器，形成单晶组织。

虽然激冷盘温度很低(上表面温度约为400-600℃)，但是浇注的熔融态的高温合金液(1500-1600℃)并不能瞬间凝固。当型壳底部与激冷盘之间不能紧密地接触处时，熔融态的高温合金液会从型壳底部与激冷盘的间隙全部流出，不能填充型壳内腔，导致跑钢现象，致使铸件报废，造成严重的经济损失，也对设备造成损伤。因此，急需探索一种新的型壳固定工艺，加强型壳与激冷底盘的紧密接触程度，杜绝从型壳底部与激冷盘之间缝隙产生的跑钢现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定向凝固用陶瓷型壳的固定方法，该方法能够提高型壳底部与激冷盘的接触紧密程度，杜绝从型壳底部与激冷盘之间缝隙处产生的跑钢现象。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种定向凝固用陶瓷型壳的固定方法，该方法包括如下步骤：

(1)蜡模底盘模具的设计：

设计铸件底盘蜡模模具时，在距离蜡模底盘边缘内侧1-20mm的位置(不能与铸件的起晶段干涉)设置环形凹槽；并在蜡模底盘侧部设置凸起锁紧结构Ⅰ；

(2)型壳制备：

利用步骤(1)设计的蜡模底盘模具进行定向或单晶陶瓷型壳的制备，所制备陶瓷型壳的底部具有环形凸起(阻流结构)、侧面具有4个凹陷锁紧结构；

(3)激冷底盘的制备：

激冷底盘的外形尺寸为Φ100-300mm，高度为10-200mm；在激冷底盘的上表面，设置与型壳底部环形凸起相配合的凹槽结构(阻流槽)，当型壳放置于激冷盘之上时，型壳上的环形凸起与激冷底盘上表面上的阻流槽相配合卡接在一起；在激冷底盘的侧面、在与陶瓷型壳底盘侧面凹陷结构相对应位置设置4个梯形凸起锁紧结构Ⅱ；

(4)型壳与激冷盘的装配：

将型壳四周凹陷结构的开口对准激冷盘上的凸起锁紧结构Ⅱ，将型壳向下推进紧密贴近激冷盘表面后，沿着顺时针旋转型壳，直至型壳与激冷盘紧密配合。

上述步骤(1)中，铸件底盘蜡模为Φ100-300mm、厚度10-80mm的圆柱状结构；所述环形凹槽沿蜡模底盘径向的纵截面为半径R＝1mm-5mm的半圆形结构，所述环形凹槽以底盘蜡模圆点为中心。蜡模底盘上这种设计可以在铸件型壳上形成凸出的阻流结构。

上述步骤(1)中，所述凸起锁紧结构Ⅰ是在蜡模底盘的侧表面上，距离具有环形凹槽的表面≥10mm的周向，均匀设置4个倒L型凸起；倒L型凸起的尺寸为：一侧高度h1≥10mm，另一侧高度h2＝3mm～(h1-5)mm，上部宽度w1≥10mm，下部宽度w2＝5mm～(w1-3)mm，凸起厚度t＝5-10mm。蜡模底盘侧面这种凸起的锁紧结构，可以在铸件型壳上形成凹陷的锁紧结构。

上述步骤(3)中，所述梯形凸起锁紧结构Ⅱ的尺寸为：较短的一个侧边长度h4≥h2，上边的长度w3≤w2且w3≤w1-w2，较长的一个侧边长度h3≥h2，平面L1∥平面L3。该设计的目的是可以使激冷底盘四周的梯形凸起锁紧结构，顺利穿过w2，顺时针旋转型壳后，与型壳的锁紧机构达到紧密配合的目的。

经步骤(4)型壳与激冷盘装配并进行定向凝固，定向凝固结束后，沿着逆时针方向旋转型壳，然后向上提拉型壳，直至型壳取出后，方可清理。

本发明的设计原理及有益效果如下：

本发明通过在激冷盘的上表面增加阻流槽，在型壳制备过程中，型壳的底部表面增加阻流凸起与激冷盘的上表面阻流槽相互配合；并在型壳底盘和激冷盘的四周增加锁紧机构，进行定向凝固时可以使激冷底盘四周的梯形凸起锁紧结构，顺利穿过型壳侧面的凹陷结构，顺时针旋转型壳后，与型壳的锁紧机构达到紧密配合、防止跑钢的目的。

附图说明

图1为本发明固定方法中蜡模底盘阻流凹槽设计。

图2为本发明固定方法中蜡模底盘侧面锁紧结构尺寸。

图3为本发明固定方法中激冷盘四周的锁紧机构尺寸。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明提供一种定向凝固用陶瓷型壳的固定方法，具体如下：

1、蜡模底盘模具的设计：

(1.1)蜡模底盘阻流槽：根据制备的铸件起晶段尺寸、形状，设计铸件底盘蜡模(通常所用尺寸为Φ100-300mm)模具：在距离蜡模底盘边缘内侧1-20mm的位置(不能与铸件的起晶段干涉)设置半径R＝1mm-5mm的半圆形凹槽，凹槽以底盘蜡模圆点为中心，呈圆周状分布。如图1所示。蜡模底盘上这种设计可以在铸件型壳上形成凸出的阻流结构。设计底盘蜡模模具的同时可以在底盘蜡模内部增加轻质金属或非金属的加强板，来防止蜡模变形。该加强板在脱蜡后可以自行脱出。

(1.2)蜡模底盘侧部锁紧机构：蜡模底盘厚度为10-80mm，在其四周的圆柱面上，距离存在凹槽的表面≥10mm的周向，均匀分布4个倒L型的凸起，L型凸起的尺寸如图2所示。其中，h1≥10mm，h2≥3mm，w1≥10mm，w2≥5mm，凸起厚度为t＝5-10mm。蜡模底盘侧面这种凸起的锁紧结构，可以在铸件型壳上形成凹陷的锁紧结构。

2、型壳制备：

按照设计的蜡模底盘进行定向、单晶蜡树的组合，进行沾浆、撒砂工序。根据铸件的形状尺寸，确定不同的型壳制备层数。该种型壳固定方式的设计均适用于不同硅溶胶、型砂的定向、单晶型壳制备工艺。

3、激冷底盘的设计加工：

激冷底盘的外形尺寸为Φ100-300mm，高度为10-200mm，需能够与制备的型壳尺寸相配合使用。

(3.1)在激冷底盘的上表面，与型壳底部凸起阻流槽的对应位置，设计相对应的凹陷结构，型壳放置于激冷盘之上时，凸起与凹陷的阻流槽能够配合在一起。

(3.2)激冷盘的侧面,在与型壳底盘侧面凹陷锁紧结构的对应位置设计4个梯形的凸起锁紧机构。尺寸如图3所示，其中h4≥h2，w3≤w2且w3≤w1-w2，h3≥h2，平面L1∥平面L3。该设计的目的是可以使激冷底盘四周的梯形的凸起锁紧机构，顺利穿过w2，顺时针旋转型壳后，与型壳的锁紧机构达到紧密配合的目的。

4、型壳与激冷盘的配合：

将型壳四周凹陷锁紧机构的开口对准激冷盘上的凸起锁紧机构，将型壳向下紧密贴近激冷盘表面后，沿着顺时针旋转型壳，直至型壳与激冷盘紧密配合。

5、型壳锁紧机构的释放：

定向凝固结束后，沿着逆时针方向旋转型壳，然后向上提拉型壳，直至型壳取出后，方可清理。

实施例1：

本实施例为应用于LMC定向凝固工艺的锁紧机构设计：

1、蜡模底盘模具的设计：

(1.1)蜡模底盘阻流槽。设计型壳的底盘蜡模尺寸为Φ180mm，在距离型壳底盘边缘内侧10mm的位置设置半径R＝3mm的半圆形凹槽，凹槽以底盘蜡模圆点为中心，呈圆周状分布。压蜡时底盘蜡模内部增加薄铝片加强板，来防止蜡模变形。该加强板在脱蜡后自行脱出。

(1.2)蜡模底盘侧部锁紧机构。蜡模底盘厚度为50mm，在其四周的圆柱面上，距离存在凹槽的表面20mm的周向，均匀分布4个倒L型的凸起，L型凸起的尺寸如图2所示。其中，h1＝30mm，h2＝5mm，w1＝20mm，w2＝10mm，凸起厚度为t＝5mm。蜡模底盘侧面这种凸起的锁紧结构，可以在铸件型壳上形成凹陷的锁紧结构。

2、型壳制备：

按照设计的蜡模底盘进行定向、单晶蜡树的组合，进行沾浆、撒砂工序。型壳制备层数10层。

3、激冷底盘的设计加工：

激冷盘材质选择不锈钢，激冷底盘的外形尺寸为Φ180mm，高度为50mm，能够与制备的型壳尺寸相配合使用。

(3.1)在激冷底盘的上表面，距离盘的边缘10mm位置设计设置半径R＝3mm的半圆形凹槽，凹槽以底盘蜡模圆点为中心，呈圆周状分布。型壳放置于激冷盘之上时，凸起与凹陷的阻流槽能够配合在一起。

(3.2)激冷盘的侧面，在与蜡模底盘侧面凸起锁紧结构的对应位置设计4个梯形的凸起锁紧机构。尺寸如图3所示，其中h4＝6mm，w3＝8mm，h3＝10，平面L1与平面L3相平行。该设计的可以使激冷底盘四周的梯形的凸起锁紧机构，穿过w2，顺时针旋转型壳后，与型壳的锁紧机构达到紧密配合的目的。

4、型壳与激冷盘的配合：

将型壳四周凹陷锁紧机构的开口对准激冷盘上的凸起锁紧机构，将型壳向下紧密贴近激冷盘表面后，沿着顺时针旋转型壳，直至型壳与激冷盘紧密配合。

5、型壳锁紧机构的释放：

定向凝固结束后，沿着逆时针方向旋转型壳，然后向上提拉型壳，直至型壳取出后，方可清理。