一种耐1800℃的定向凝固BN型壳制造技术

本发明专利技术涉及一种铸件型壳，具体涉及一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，包括型壳底座、型壳主体和浇口杯；所述的型壳主体装配于型壳底座和浇口杯之间，形成用于定向凝固的型壳；型壳底座、型壳主体和浇口杯均由高温高压烧结六方氮化硼块体加工成型。与现有技术相比，本发明专利技术充分发挥了高温高压烧结BN致密度高、膨胀系数小、抗热震性好、机加工性能好的优点，采用机械加工和装配的方法替代了已有的失蜡法制备工艺，彻底解决了失蜡法制备BN型壳面层容易脱落、背层强度不够的缺点，有利于提高超高温合金定向凝固制备合格率和质量。金定向凝固制备合格率和质量。金定向凝固制备合格率和质量。

【技术实现步骤摘要】
一种耐1800
℃
的定向凝固BN型壳


[0001]本专利技术涉及一种铸件型壳，具体涉及一种耐1800℃的定向凝固BN型壳。

技术介绍

[0002]现代航空工业的飞速发展对航空发动机的推重比提出了更高的要求，提高涡轮前进口温度是实现大推重比的最有效途径之一。研究表明，涡轮前进口温度每提升55℃，发动机推力将提升10％，下一代高推重比航空发动机涡轮前进口温度会达到1827～2027℃，这对发动机热端部件(如涡轮叶片、涡轮外环块、喷管等)的材料提出了更加苛刻的要求。因此，开发更高耐热温度的材料成为提高先进航空发动机推重比的关键任务。当前，具有应用潜力的高温材料主要有金属间化合材料(NbSi基超高温合金)、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料等。其中NbSi基超高温合金由于其熔点高(超过了1700℃)、高温拉伸性能强(1200℃高温拉伸强度超过了200MPa)，受到了广泛地关注和研究。
[0003]在定向凝固过程中，具有叶片形状的型壳被放在保温炉内预热，当达到预定预热温度后，高温合金熔体被浇入型壳，型壳随着熔体一起以一个固定的抽拉速率从型壳保温炉内拉出来，从而在形成一个定向的散热，熔体定向凝固后获取柱状/单晶组织。对于镍基高温合金，其型壳使用温度一般在1500℃左右，通常采用失蜡法制备，其面层一般采用高纯刚玉粉，背层材料一般采用氧化铝/氧化锆砂/氧化钙。然而，对于NbSi基高温合金而言，在定向凝固过程中，一方面面层材料容易和熔体反应；另外一方面，型壳保温温度超过1800℃，常规的背层材料氧化铝已经接近熔点，氧化锆和氧化钙等也容易软化，进而导致定向凝固中断。
[0004]专利CN 104550736 A公布了一种用于钛合金精密铸造的氮化硼陶瓷型壳的制备方法，其工艺路线采用失蜡法，面层材料采用325目的氮化硼粉料与粘结剂二醋酸锆或硅溶胶混合，其背层材料采用常规的氧化铝砂与莫来石粉料的混合物，主要用于解决型壳面层与钛合金熔体反应的问题。专利CN 109108224 A公布了一种铌硅基合金叶片定向凝固熔模铸造用陶瓷型壳的制备方法，其工艺路线也为失蜡法，面层材料选用的氧化钙稳定的二氧化锆与六方氮化硼的混合粉料，背层材料为氧化钙稳定的二氧化锆粉和粉状氧化锆纤维，主要用于解决陶瓷型壳承受2000℃高温而不变形、不开裂的问题。
[0005]然而由于失蜡法的工艺特点(自然挂浆、常规烧结)，尽管尝试了不同性质的粘结剂，但是BN之间的粘结较疏松，型壳的面层存在容易脱落的缺点，型壳的背层仍然存在着超高温下(1800℃以上)软化的缺点。因此，针对金属间化合物高熔点的特征，必须开发适用于1800℃以上高温定向凝固用型壳，且其必须具备以下两个条件(1)型壳背层材质可长时间承受定向凝固过程中的高温，即在此极端高温条件下应具有符合使用要求的强度；(2)型壳面层材质不能与合金元素发生化学反应，即在极端高温条件下相对于高度合金化的合金熔体仍具有较高的化学惰性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，以解决现有技术中超高温失蜡法工艺下的BN型壳存在面层易脱落、背层易软化的问题，本专利技术充分发挥了高温高压烧结BN致密度高、膨胀系数小、抗热震性好、机加工性能好的优点，采用机械加工和装配的方法替代了已有的失蜡法制备工艺，彻底解决了失蜡法制备BN型壳面层容易脱落、背层强度不够的缺点，有利于提高超高温合金定向凝固制备合格率和质量，实现了一种适用于1800℃以上高温定向凝固用型壳的开发。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，包括型壳底座、型壳主体和浇口杯；
[0009]所述的型壳主体装配于型壳底座和浇口杯之间，形成用于定向凝固的型壳；
[0010]型壳底座、型壳主体和浇口杯均由高温高压烧结六方氮化硼块体加工成型。
[0011]优选地，所述的高温高压烧结六方氮化硼块体的制备方法为：
[0012]将至少两种不同颗粒度的六方氮化硼粉末混合后进行高温高压烧结。
[0013]优选地，所述的制备方法中，采用20目和200目的六方氮化硼粉末以2：8的质量比混合后烧结，通过不同目数(粒径)的粉末配合，使小径粉末能够分布于大径粉末的间隙之中，这将提高氮化硼的空间填充率和氮化硼粉体的致密度。
[0014]优选地，所述的制备方法中，六方氮化硼粉末在1450～1650℃的烧结温度、20～35MPa的烧结压力以及氮气气氛下，烧结30～120min。
[0015]优选地，所述的型壳主体由若干独立加工的分体组件装配对接形成。
[0016]优选地，所述的型壳主体由凹形主体和盖板装配对接形成；所述的凹形主体开口处形成凹槽，所述的盖板插入凹槽中定位。
[0017]优选地，所述的型壳底座的顶部设有朝向内部延伸的下支撑结构，所述的浇口杯的底部设有朝向内部延伸的上支撑结构，所述的型壳主体装配于上支撑结构与下支撑结构之间。
[0018]优选地，所述的上支撑结构形成的中心通道与型壳主体相匹配，所述的下支撑结构形成的中心通道与型壳主体相匹配。
[0019]优选地，所述的型壳主体两侧开设安装孔，用于悬挂型芯以制备空心涡轮叶片。
[0020]优选地，所述的加工精度不大于
±
0.02mm，有利于控制浇注铸件的尺寸精度。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]本专利技术颠覆了传统的失蜡法制备定向凝固用型壳的工艺，通过直接高温高压烧结BN并采用机械加工和机械装配方法制备耐1800℃以上温度的BN型壳。充分发挥了高温高压烧结BN致密度高、膨胀系数小、抗热震性好、机加工性能好的优点，彻底解决了失蜡法制备BN型壳面层容易脱落、背层强度不够的缺点，将有利于提高超高温合金定向凝固制备产品质量和合格率。同时，本专利技术大大地缩短了定向凝固用型壳的制备工艺流程，将大幅度提高了工业生产效率。
附图说明
[0023]图1为BN型壳的结构剖视示意图；
[0024]图2为BN型壳的结构侧视示意图；
[0025]图3为图2中B
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B截面的结构剖视示意图；
[0026]图4为实施例1中采用BN型壳浇注而成的NbSi高温合金定向凝固铸件的实拍图；
[0027]图中：1
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型壳底座；2
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型壳主体；21
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凹形主体；22
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盖板；3
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浇口杯。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。
[0029]实施例1
[0030]本实施例利用一种用于1800℃以上高温定向凝固的型壳进行了NbSiTiAlNb定向凝固试样的制备，该型壳的设计和制备过程如下；
[0031]一种耐1800℃以上高温的定向凝固用BN型壳结构，如图1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，其特征在于，包括型壳底座(1)、型壳主体(2)和浇口杯(3)；所述的型壳主体(2)装配于型壳底座(1)和浇口杯(3)之间，形成用于定向凝固的型壳；型壳底座(1)、型壳主体(2)和浇口杯(3)均由高温高压烧结六方氮化硼块体加工成型。2.根据权利要求1所述的一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，其特征在于，所述的高温高压烧结六方氮化硼块体的制备方法为：将至少两种不同颗粒度的六方氮化硼粉末混合后进行高温高压烧结。3.根据权利要求2所述的一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，其特征在于，所述的制备方法中，采用20目和200目的六方氮化硼粉末以2：8的质量比混合后烧结。4.根据权利要求2所述的一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，其特征在于，所述的制备方法中，六方氮化硼粉末在1450～1650℃的烧结温度、20～35MPa的烧结压力以及氮气气氛下，烧结30～120min。5.根据权利要求1所述的一种耐1800℃的定向凝固BN型壳，其特征在于，所述的型壳主体(2)由若干独立加工的分体组件装配对接...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾龙，曹丙谦，陈森鸿，李飞，夏明许，李建国，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：