一种航空发动机单晶涡轮叶片的制造方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片制造技术领域，特别涉及一种航空发动机单晶涡轮叶片的制造方法。

背景技术

为了提高涡轮叶片的使用性能，单晶工艺是首选，不管是几代单晶，晶粒的完整性和生长方向都是工艺的核心控制点。

现有的单晶叶片制造工艺在蜡模阶段缺少有效的控制方法，叶片在底盘上的角度、位置、垂直度受人工干预大，蜡件、选晶器、籽晶连接不平行，蜡件组树不垂直，蜡件组树位置不准确，扭向有偏差，蜡件与蜡件之间不均布，从而导致叶片晶粒的生长方向与积叠轴不平行，晶粒生长产生偏离，造成角度偏差，同时蜡件扭向、位置不准确，组树一致性差，制壳易壳厚不均，熔炼过程中也容易造成温度场偏差，容易产生杂晶缺陷，单晶完整性差，合格率低下。为此本申请提供了一种航空发动机单晶涡轮叶片的制造方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种航空发动机单晶涡轮叶片的制造方法，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种航空发动机单晶涡轮叶片的制造方法，包括如下步骤：

设计组树工装：该工装包括底座，其上滑动有竖直臂，所述竖直臂上竖直滑动有滑架，所述滑架上水平滑动有横向臂，所述横向臂上设置有转动件，所述转动件的底部固定连接有退模臂，所述退模臂上滑动连接有蜡件夹头，且在蜡件夹头的底部固定有籽晶定位杆，所述底座上转动连接有分度转盘；

制备蜡模：利用模具制备底盘、中柱、浇口杯和叶片蜡模，并把底盘、中柱和浇口杯连接在一起；

蜡模组树：把底盘固定在分度转盘上，按照工艺设计要求，旋转转动件调节蜡件夹头的角度并锁定，滑动横向壁调节水平位置并锁定，把叶片蜡模放置到蜡件夹头上，并通过籽晶定位杆对籽晶进行定位，滑动竖直臂，把叶片蜡模滑动到设计位置后，向下滑动滑架使得籽晶与底盘接触并粘接固定，转动分度转盘，依次焊接其余的叶片蜡模，得到蜡模模组；

制壳：把蜡模模组从分度转盘上取出，采用VA线机械手制壳，在蜡模模组表面涂挂10-14mm厚的模壳；

脱蜡焙烧：采用脱蜡釜在100-200℃下脱蜡，再通过800-1000℃焙烧1-3h，得到陶瓷模壳；

浇注：采用ALD“选晶法”工艺，将模壳放入到ALD炉中，在1450-1550℃温度下对模壳保温1-3h，采用成型母合金重熔，并在1450-1550℃温度下浇注并按照2-10mm/min进行拉晶，拉晶结束后随炉冷却至300℃以下取出；

后处理：模壳冷却至室温后，拆模，采用铝锤敲击冒口位置进行清砂，经过切割、脱芯操作后进入固溶热处理，固溶后进行叶片抛光、修整，并进行检测。

优选的，所述底座上设置有径向导轨，且径向导轨上滑动设置有径向滑块，所述竖直臂固定在径向滑块上，所述底座上固定有与径向导轨平行且带有刻度的定位条一，所述径向滑块上设置有径向定位销，所述径向定位销与定位条一插接，用于固定径向滑块的位置。

优选的，所述竖直臂位于竖直方向相对的两侧面分别设置有竖直导轨一和竖直导轨二，所述滑架与竖直导轨一滑动连接，所述竖直导轨二上滑动连接带有把手的配重块，所述竖直臂的顶部固定有滑轮组件，所述滑架上固定有钢索，所述钢索绕过滑轮组件后与配重块固定连接。

优选的，所述竖直臂的侧面在竖直方向上固定有刻度尺，所述滑架靠近刻度尺的一侧固定有指示块，且所述滑架上安装有手刹组件，用于把滑架固定在竖直臂上。

优选的，所述滑架上固定有横向导轨，所述横向导轨上滑动连接有横向滑块，所述横向臂与横向滑块固定连接，所述滑架上固定有与横向导轨平行且带有刻度的定位条二，所述滑架上设置有横向定位销，所述横向定位销与定位条二插接，用于固定横向滑块的位置。

优选的，所述转动件的顶面设置有量角盘，所述横向臂上设置有指向量角盘中心的定位箭头，且所述横向臂上螺纹连接有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于固定转动件。

优选的，所述退模臂的底面固定有退模导轨，所述退模导轨上滑动连接有退模滑块，所述蜡件夹头与退模滑块固定连接，所述退模滑块上设置有退模定位销，所述退模臂上固定有定位条三，所述退模定位销与定位条三插接，用于固定蜡件夹头的位置。

优选的，所述蜡件夹头包括背板，所述背板上设置有用于对叶片定位的多个定位块，且所述背板上安装有压紧件。

优选的，所述压紧件包括轴座，所述轴座上转动连接有压紧条，所述压紧条上设置有销孔，所述轴座上设置有穿过销孔的销杆，用于固定压紧条，压紧条用于把叶片压紧固定使叶片与定位块紧贴。

优选的，所述分度转盘的侧面设置有等分刻度且在底座上设置有转盘开关，所述转盘开关用于锁定、解锁分度转盘。

与传统技术相比，本发明产生的有益效果是：本发明在蜡模组树阶段利用蜡模组树工装保证了叶片的角度、位置和垂直度符合设计要求，能够得到符合设计要求、一致性完好的蜡模模组，制壳采用VA线机械手制壳，合理优化程序，型壳厚度均匀，能够制得高精度模壳，熔铸采用ALD“选晶法”工艺，采用程序设定控制参数，控制精度高，效果好，可制造出符合国际先进水平的单晶涡轮叶片，叶片晶粒生长方向与积叠轴≤8°，单晶完整性、杂晶和再结晶得到有效控制，产品合格率大幅度提升，提高了市场竞争力。

附图说明

图1为本发明中组树工装的整体结构示意图一；

图2为本发明中组树工装的整体结构示意图二；

图3为本发明中组树工装的整体结构示意图三；

图4为本发明中组树工装的蜡模夹头结构示意图；

图5为本发明中组树工装在对叶片蜡模组树时的结构示意图一；

图6为本发明中组树工装在对叶片蜡模组树时的结构示意图二；

图7为本发明中组树工装在对叶片蜡模组树完成时的结构示意图。

图中：1、底座；2、竖直臂；3、滑架；4、横向臂；5、转动件；6、退模臂；7、蜡件夹头；701、背板；702、定位块；703、轴座；704、压紧条；705、销孔；706、销杆；8、籽晶定位杆；9、分度转盘；10、径向导轨；11、径向滑块；12、定位条一；13、径向定位销；14、竖直导轨一；15、竖直导轨二；16、配重块；17、滑轮组件；18、钢索；19、外壳；20、刻度尺；21、指示块；22、手刹组件；23、横向导轨；24、横向滑块；25、定位条二；26、横向定位销；27、量角盘；28、定位箭头；29、锁紧螺栓；30、退模导轨；31、退模滑块；32、退模定位销；33、定位条三；34、等分刻度；35、转盘开关；36、底盘；37、中柱；38、浇口杯；39、叶片蜡模；40、籽晶；41、螺旋选晶器；42、拉筋冒口。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

以航空发动机高温合金单晶涡轮叶片为例，该单晶涡轮叶片具有扭曲的叶身、横向突变的缘板以及复杂的多腔道空心结构。叶片对晶粒完整性、晶粒缺陷以及<001>、<100>和<010>方向的晶粒取向均有很高的要求，具体说明一种航空发动机单晶涡轮叶片的制造方法，包括如下步骤：

设计组树工装：如图1-4所示，该工装包括底座1，其上滑动有竖直臂2，竖直臂2上竖直滑动有滑架3，滑架3上水平滑动有横向臂4，横向臂4上设置有转动件5，转动件5的底部固定连接有退模臂6，退模臂6上滑动连接有蜡件夹头7，且在蜡件夹头7的底部固定有籽晶定位杆8，底座1上转动连接有分度转盘9。

具体的，在底座1上设置有径向导轨10，且径向导轨10上滑动设置有径向滑块11，竖直臂2固定在径向滑块11上，底座1上固定有与径向导轨10平行且带有刻度的定位条一12，径向滑块11上设置有径向定位销13，径向定位销13与定位条一12插接，用于固定径向滑块11的位置，通过径向滑块11在径向导轨10上滑动，使得竖直臂2带动整体结构进行移动，使得蜡模夹头退出分度转盘9的范围，同时设置的带有刻度的定位条一12，便于精确控制径向滑块11的滑动位置精度，在定位条一12上设置有插孔，在径向定位销13插入到插孔后，对径向滑块11进行固定，控制蜡件径向定位尺寸。

竖直臂2位于竖直方向相对的两侧面分别设置有竖直导轨一14和竖直导轨二15，竖直导轨一14为双线导轨，竖直导轨二15为单线导轨，滑架3与竖直导轨一14滑动连接，竖直导轨二15上滑动连接带有把手的配重块16，竖直臂2的顶部固定有滑轮组件17，滑架3上固定有钢索18，并且在滑轮组件17的外侧设置有外壳19，用于保护滑轮组件17和钢索18，起到防尘作用，配重块16的重量设计与钢索18连接另一端的部分重量均衡，钢索18绕过滑轮组件17后与配重块16固定连接，配重块16向下滑动，利用钢索18拉动滑架3向上滑动，配重块16向上滑动时，在重力作用下，滑架3向下滑动，从而便于放置叶片，并且在竖直臂2的侧面在竖直方向上固定有刻度尺20，滑架3靠近刻度尺20的一侧固定有指示块21，通过指示块21确定滑架3的滑动位置精度，并且在滑架3上安装有手刹组件22，用于把滑架3固定在竖直臂2上，通过手刹组件22解锁和固定滑架3，便于控制蜡件组树时叶片的上下移动。

滑架3上固定有横向导轨23，横向导轨23上滑动连接有横向滑块24，横向臂4与横向滑块24固定连接，滑架3上固定有与横向导轨23平行且带有刻度的定位条二25，滑架3上设置有横向定位销26，横向定位销26与定位条二25插接，用于固定横向滑块24的位置，定位条二25上设置有插孔，横向定位销26插入插孔后，固定横向滑块24，横向移动控制蜡件横向定位尺寸。

转动件5的顶面设置有量角盘27，横向臂4上设置有指向量角盘27中心的定位箭头28，且横向臂4上螺纹连接有锁紧螺栓29，锁紧螺栓29用于固定转动件5，通过转动件5在横向臂4上转动，调整叶片组树时的扭向，并且量角盘27的设置，提高了调整的精度。

退模臂6的底面固定有退模导轨30，退模导轨30上滑动连接有退模滑块31，蜡件夹头7与退模滑块31固定连接，退模滑块31上设置有退模定位销32，退模臂6上固定有定位条三33，退模定位销32与定位条三33插接，用于固定蜡件夹头7的位置，蜡件夹头7包括背板701，背板701上设置有用于对叶片定位的多个定位块702，且背板701上安装有压紧件。压紧件包括轴座703，轴座703上转动连接有压紧条704，压紧条704上设置有销孔705，轴座703上设置有穿过销孔705的销杆706，用于固定压紧条704，压紧条704用于把叶片压紧固定使叶片与定位块702紧贴。定位块702的结构以及设置位置根据航空叶片形状、轮廓以及定位点进行设计，通过定位块702对涡轮叶片进行六点定位，保证了涡轮叶片的位置度，并通过压紧条704的旋转压紧固定压片，保证装夹后的叶片积叠轴与晶粒生长方向平行，并且在背板701上固定籽晶定位杆8，用于控制籽晶40的中轴线与叶片的积叠轴保持平行，能够保证组树后的叶片，晶粒从籽晶40形核并向上生长过程中始终保持与叶片设计的积叠轴平行，从而很好的控制晶粒的生长方向。退模滑块31在退模导轨30上滑动，在单个叶片组树完成后，将蜡模夹头退出。

分度转盘9的侧面设置有等分刻度34，分度转盘9进行四等分或六等分，根据叶片蜡模39模组中叶片蜡模39的数量进行确定，在分度转盘9的底部设置有锁定孔，同时在底座1上设置有转盘开关35，转盘开关35向上抬起时，转盘开关35上的锁头脱离锁定孔，分度转盘9进行旋转，在转盘开关35上的锁头插入到锁定孔后，限制分度转盘9的转动。

制备蜡模：利用模具制备底盘36、中柱37、浇口杯38和叶片蜡模39，并把底盘36、中柱37和浇口杯38连接在一起，并把籽晶40通过螺旋选晶器41与叶片连接；

蜡模组树：如图5-7所示，把底盘36固定在分度转盘9上，按照工艺设计要求，旋转转动件5调节蜡件夹头7的角度并锁定，滑动横向壁调节水平位置并锁定，把叶片蜡模39放置到蜡件夹头7上，并通过籽晶定位杆8对籽晶40进行定位，滑动竖直臂2，把叶片蜡模39滑动到设计位置后，向下滑动滑架3使得籽晶40与底盘36接触并通过粘接胶把籽晶40与底盘36粘接固定，按照工艺要求，将拉筋冒口42等工艺部分进行组树固定，退出蜡件专用夹头，完成叶片蜡模39的组树工艺，转动分度转盘9，依次焊接其余的叶片蜡模39，得到蜡模模组，并滑动竖直臂2把整体工装退出分度转盘9范围，并固定竖直臂2的位置；

制壳：把蜡模模组从分度转盘9上取出，采用VA线机械手制壳，合理优化的机械手浸浆、撒砂程序，在蜡模模组表面涂挂10-14mm厚的模壳，模壳厚度特征一致，可控；

脱蜡焙烧：采用脱蜡釜在100-200℃下脱蜡，再通过800-1000℃焙烧1-3h，得到具有一定强度的高精度陶瓷模壳；

浇注：采用ALD“选晶法”工艺，将模壳放入到ALD炉中，在1450-1550℃温度下对模壳保温1-3h，采用成型母合金重熔，并在1450-1550℃温度下浇注并按照2-10mm/min进行拉晶，拉晶结束后随炉冷却至300℃以下取出；

后处理：模壳冷却至室温后，拆模，采用铝锤敲击冒口位置进行清砂，经过切割、脱芯操作后进入固溶热处理，固溶前严禁所有会产生叶片塑性变形的操作，防止产生再结晶缺陷，固溶后进行叶片抛光、修整等相关操作，并进行相关检测，各项检测符合要求，叶片晶粒生长方向与积叠轴≤8°，单晶完整性、杂晶和再结晶得到有效控制，产品合格率达到80％以上。

其工作原理：在蜡模组树阶段利用蜡模组树工装保证了叶片的角度、位置和垂直度符合设计要求，能够得到符合设计要求、一致性完好的蜡模模组，制壳采用VA线机械手制壳，合理优化程序，型壳厚度均匀，能够制得高精度模壳，熔铸采用ALD“选晶法”工艺，采用程序设定控制参数，控制精度高，效果好，可制造出符合国际先进水平的单晶涡轮叶片，叶片晶粒生长方向与积叠轴≤8°，单晶完整性、杂晶和再结晶得到有效控制，产品合格率大幅度提升，提高了市场竞争力。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。