熔模精密铸造用陶瓷型壳脱蜡开裂研究及解决方法

曾洪，伍林，张松泉，杨照宏，巩秀芳，杨功显

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室,四川 德阳，618000）

熔模精密铸造用陶瓷型壳脱蜡开裂研究及解决方法

曾洪，伍林，张松泉，杨照宏，巩秀芳，杨功显

（东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室,四川 德阳，618000）

文章介绍了一种解决陶瓷型壳开裂的方法，包括采用陶瓷型壳制作工艺，制得一定厚度的陶瓷型壳；在陶瓷型壳容易出现裂纹部位的陶瓷型壳外表面沿常见裂纹方向覆盖一定厚度的蜡片；将陶瓷型壳放入脱蜡设备中，采用高温高压水蒸汽进行脱蜡。该方法可以有效消除型壳在脱蜡过程中产生裂纹。

熔模精密铸造,陶瓷型壳,开裂，蜡片

0 引言

熔模精密铸造由于其精度高、表面质量好，从20世纪80年代起得到了广泛应用，尤其对于高温合金等难以加工的合金，熔模精密铸造更是成为了一种常用的成型方法[1]。

熔模精密铸造的工序包括压蜡、组树、制壳（包括沾浆、淋砂、脱蜡以及烧残蜡等）、浇注以及后处理等，工艺极其复杂。其中制壳工序是关键一环，许多铸件缺陷均来自该工序。在制壳工序中，裂纹是常见的一种型壳缺陷，这种缺陷可能导致浇注时漏钢，铸件产生变形、披缝等。

目前，解决型壳裂纹的常见方法都有使用局限性，主要包括以下几种：

（1）提高陶瓷型壳强度。如优化陶瓷型壳材料配方、加厚陶瓷型壳等。由于铸件本身的结构原因，在制壳过程中会造成型壳厚度不均匀，铸件曲率越大的部位型壳越薄，型壳强度也越低，裂纹往往产生于这些部位。例如燃机透平叶片型壳在排气侧非常容易出现裂纹，如果采用提高型壳强度的方法解决裂纹问题，不仅增加型壳制备成本，还通常会使透平叶片铸件产生热裂缺陷。

（2）优化脱蜡工艺。理论上来说，升压时间越短，对型壳越有利。但很多时候升压时间已经达到最短，却仍然难以保证型壳不产生裂纹。

（3）优化脱蜡口设置。这种方法可以有效地降低型壳开裂的概率，但脱蜡口无法使用于透平叶片等精密度要求很高的铸件的非加工位置。

1 实验过程

本文介绍一种防止陶瓷型壳在脱蜡过程中开裂的方法。包括如下步骤：

（1）采用陶瓷型壳制作工艺，制得一定厚度的陶瓷型壳；在干燥过程中，采用红外测温仪测定型壳表面温度；

（2）在陶瓷型壳容易出现裂纹部位的陶瓷型壳外表面沿常见裂纹方向贴一定厚度的蜡片；

（3）将陶瓷型壳放入脱蜡设备中，采用高温高压水蒸汽进行脱蜡。

2 结果与讨论

为了保证型壳在干燥过程中充分干燥，我们采用红外测温仪测定每一层型壳表面的温度。图1为某型燃机动叶在干燥过程中前三层表面温度随时间的变化关系，分别测定了叶身和凹槽两个部位。可以看出，在干燥过程中，型壳表面的温度先降低，然后升高；与叶身相比，凹槽部位温度变化较慢。在升温过程中，当型壳表面温度与环境温度相差±0.5℃时，型壳完成干燥，可以进行下一层的沾浆作业。

图1 干燥过程中型壳表面温度随时间变化关系图

图2为某型燃机动叶在脱蜡过程中排气边产生的裂纹，该叶片在脱腊过程中产生裂纹的几率为80%，极大地影响了陶瓷型壳的合格率。为了解决这一难题，我们尝试采用在排气边贴蜡片的方法。

图2 某型燃机动叶在脱蜡过程中产生的裂纹

第一炉5组型壳，脱蜡前未在排气边贴蜡片，脱蜡后MKSY-5、MKSY-3、MKSY-7、MKSY-4产生裂纹，仅MKSY-6未产生裂纹；第二炉5组型壳，脱蜡前在MKSY-2、MKSY-1和MKSY-10排气边贴蜡片，MKSY-9和MKSY-8排气边未贴蜡片，脱蜡后贴蜡片的三组型壳排气边均未产生裂纹 （见图3和表1）。通过两炉对比，可以看出排气边贴蜡片可以降低排气边产生裂纹几率。

图3 某型燃机动叶陶瓷型壳脱蜡前排气边贴蜡片与不贴蜡片对比

表1 某型燃机动叶脱蜡前排气边贴蜡片对排气边裂纹的影响

为了进一步验证排气边贴蜡片对裂纹的影响，我们在某型燃机动叶1613批次A～J共10组型壳的排气边贴2.3 mm×2蜡片 （见表2）。脱蜡后，均未发现裂纹。可以看出，排气边贴蜡片能有效消除排气边裂纹。

型壳裂纹产生的原因，是在脱蜡阶段，由于裂纹处的型壳强度不够、脱蜡工艺不当或脱蜡口设置不合理等，造成脱蜡时型壳内的蜡料体积膨胀或熔化后无法及时排出，从而使型壳胀裂。脱蜡前，在型壳较薄弱、容易出现裂纹的部位覆盖一定厚度蜡片，利用蜡片熔化吸热或隔热原理，延缓该部分蜡的受热膨胀，使型壳较厚、强度较高部位的蜡先熔化，为型壳较薄部分蜡的膨胀提供空间，从而预防陶瓷型壳产生裂纹。

表2 某型燃机动叶1613批次排气边贴蜡片对型壳裂纹的影响

目前，该工艺已成功用于公司某型燃机动叶及其他精铸件的精密铸造过程，有效地消除了型壳薄弱部位在脱蜡过程产生裂纹，使陶瓷型壳在脱蜡过程中不再产生裂纹。

3 结论

采用在陶瓷型壳薄弱部位贴蜡片的方法可以有效地防止陶瓷型壳在脱蜡阶段产生裂纹，且操作简单，工艺一致性好。该方法适用于型壳的任何部位，使陶瓷型壳不再开裂，不会对型壳及后续工序造成任何影响，且该方法成本低廉、效率高，大大减小了操作者的劳动强度。

[1]姜不居.实用熔模铸造技术[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,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

四川省科技支撑计划项目 （2014GZ0114先进大功率燃气轮机组关键技术研究及其产业化）。

曾洪 （1981－），男，博士，高级工程师，毕业于中国科学院，现从事精密铸造研究工作。