熔模精密鑄造用陶瓷型殼脫蠟開裂研究及解決方法

曾洪，伍林，張松泉，楊照宏，鞏秀芳，楊功顯

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室,四川 德陽，618000）

熔模精密鑄造用陶瓷型殼脫蠟開裂研究及解決方法

曾洪，伍林，張松泉，楊照宏，鞏秀芳，楊功顯

（東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室,四川 德陽，618000）

文章介紹了一種解決陶瓷型殼開裂的方法，包括采用陶瓷型殼制作工藝，制得一定厚度的陶瓷型殼；在陶瓷型殼容易出現裂紋部位的陶瓷型殼外表面沿常見裂紋方向覆蓋一定厚度的蠟片；將陶瓷型殼放入脫蠟設備中，采用高溫高壓水蒸汽進行脫蠟。該方法可以有效消除型殼在脫蠟過程中產生裂紋。

熔模精密鑄造,陶瓷型殼,開裂，蠟片

0 引言

熔模精密鑄造由于其精度高、表面質量好，從20世紀80年代起得到了廣泛應用，尤其對于高溫合金等難以加工的合金，熔模精密鑄造更是成為了一種常用的成型方法[1]。

熔模精密鑄造的工序包括壓蠟、組樹、制殼（包括沾漿、淋砂、脫蠟以及燒殘蠟等）、澆注以及后處理等，工藝極其復雜。其中制殼工序是關鍵一環，許多鑄件缺陷均來自該工序。在制殼工序中，裂紋是常見的一種型殼缺陷，這種缺陷可能導致澆注時漏鋼，鑄件產生變形、披縫等。

目前，解決型殼裂紋的常見方法都有使用局限性，主要包括以下幾種：

（1）提高陶瓷型殼強度。如優化陶瓷型殼材料配方、加厚陶瓷型殼等。由于鑄件本身的結構原因，在制殼過程中會造成型殼厚度不均勻，鑄件曲率越大的部位型殼越薄，型殼強度也越低，裂紋往往產生于這些部位。例如燃機透平葉片型殼在排氣側非常容易出現裂紋，如果采用提高型殼強度的方法解決裂紋問題，不僅增加型殼制備成本，還通常會使透平葉片鑄件產生熱裂缺陷。

（2）優化脫蠟工藝。理論上來說，升壓時間越短，對型殼越有利。但很多時候升壓時間已經達到最短，卻仍然難以保證型殼不產生裂紋。

（3）優化脫蠟口設置。這種方法可以有效地降低型殼開裂的概率，但脫蠟口無法使用于透平葉片等精密度要求很高的鑄件的非加工位置。

1 實驗過程

本文介紹一種防止陶瓷型殼在脫蠟過程中開裂的方法。包括如下步驟：

（1）采用陶瓷型殼制作工藝，制得一定厚度的陶瓷型殼；在干燥過程中，采用紅外測溫儀測定型殼表面溫度；

（2）在陶瓷型殼容易出現裂紋部位的陶瓷型殼外表面沿常見裂紋方向貼一定厚度的蠟片；

（3）將陶瓷型殼放入脫蠟設備中，采用高溫高壓水蒸汽進行脫蠟。

2 結果與討論

為了保證型殼在干燥過程中充分干燥，我們采用紅外測溫儀測定每一層型殼表面的溫度。圖1為某型燃機動葉在干燥過程中前三層表面溫度隨時間的變化關系，分別測定了葉身和凹槽兩個部位?？梢钥闯?，在干燥過程中，型殼表面的溫度先降低，然后升高；與葉身相比，凹槽部位溫度變化較慢。在升溫過程中，當型殼表面溫度與環境溫度相差±0.5℃時，型殼完成干燥，可以進行下一層的沾漿作業。

圖1 干燥過程中型殼表面溫度隨時間變化關系圖

圖2為某型燃機動葉在脫蠟過程中排氣邊產生的裂紋，該葉片在脫臘過程中產生裂紋的幾率為80%，極大地影響了陶瓷型殼的合格率。為了解決這一難題，我們嘗試采用在排氣邊貼蠟片的方法。

圖2 某型燃機動葉在脫蠟過程中產生的裂紋

第一爐5組型殼，脫蠟前未在排氣邊貼蠟片，脫蠟后MKSY-5、MKSY-3、MKSY-7、MKSY-4產生裂紋，僅MKSY-6未產生裂紋；第二爐5組型殼，脫蠟前在MKSY-2、MKSY-1和MKSY-10排氣邊貼蠟片，MKSY-9和MKSY-8排氣邊未貼蠟片，脫蠟后貼蠟片的三組型殼排氣邊均未產生裂紋 （見圖3和表1）。通過兩爐對比，可以看出排氣邊貼蠟片可以降低排氣邊產生裂紋幾率。

圖3 某型燃機動葉陶瓷型殼脫蠟前排氣邊貼蠟片與不貼蠟片對比

表1 某型燃機動葉脫蠟前排氣邊貼蠟片對排氣邊裂紋的影響

為了進一步驗證排氣邊貼蠟片對裂紋的影響，我們在某型燃機動葉1613批次A～J共10組型殼的排氣邊貼2.3 mm×2蠟片 （見表2）。脫蠟后，均未發現裂紋?？梢钥闯?，排氣邊貼蠟片能有效消除排氣邊裂紋。

型殼裂紋產生的原因，是在脫蠟階段，由于裂紋處的型殼強度不夠、脫蠟工藝不當或脫蠟口設置不合理等，造成脫蠟時型殼內的蠟料體積膨脹或熔化后無法及時排出，從而使型殼脹裂。脫蠟前，在型殼較薄弱、容易出現裂紋的部位覆蓋一定厚度蠟片，利用蠟片熔化吸熱或隔熱原理，延緩該部分蠟的受熱膨脹，使型殼較厚、強度較高部位的蠟先熔化，為型殼較薄部分蠟的膨脹提供空間，從而預防陶瓷型殼產生裂紋。

表2 某型燃機動葉1613批次排氣邊貼蠟片對型殼裂紋的影響

目前，該工藝已成功用于公司某型燃機動葉及其他精鑄件的精密鑄造過程，有效地消除了型殼薄弱部位在脫蠟過程產生裂紋，使陶瓷型殼在脫蠟過程中不再產生裂紋。

3 結論

采用在陶瓷型殼薄弱部位貼蠟片的方法可以有效地防止陶瓷型殼在脫蠟階段產生裂紋，且操作簡單，工藝一致性好。該方法適用于型殼的任何部位，使陶瓷型殼不再開裂，不會對型殼及后續工序造成任何影響，且該方法成本低廉、效率高，大大減小了操作者的勞動強度。

[1]姜不居.實用熔模鑄造技術[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2008．

Research and Solution on Crack of Ceramic Shell Mold During the Dewax in Investment Casting

Zeng Hong，Wu Lin， Zhang Songquan，Yang Zhaohong， Gong Xiufang， Yang Gongxian

(State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

This paper introduces the solution to crack of ceramic shell mold during dewax in investment casting,including making ceramic shell mold with a certain thickness by using the ceramic shell making process,a wax sheet covered with a certain thickness on the outer surface of the ceramic shell which is prone to cracks,and dewaxing in the autoclave with high temperature and high pressure steam.This method can eliminate the crack effectively.

investment casting,ceramic shell mold,crack,sheet wax

TQ174

A

1674-9987（2017）04-0057-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.013

四川省科技支撐計劃項目 （2014GZ0114先進大功率燃氣輪機組關鍵技術研究及其產業化）。

曾洪 （1981－），男，博士，高級工程師，畢業于中國科學院，現從事精密鑄造研究工作。