CN102784904B - 一种判定定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于定向凝固领域，涉及一种判定定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的方法。针对定向凝固叶片薄壁特点，建立薄壁管状定向凝固试样装置。在试验过程中进行如下操作：（1）根据空心叶片壁厚容易出现裂纹的区间范围，压制管状试样蜡模；（2）将管状试样在一个蜡模底盘上并焊上相应的浇道和浇口杯蜡模，组合成一组定向凝固热裂试验用蜡模模组；（3）按照通用的工艺步骤制备陶瓷壳型；（4）采用真空定向凝固炉对管状试样的精铸模壳进行热裂倾向性试验，并依据试验结果分别对不同情况进行处理。本发明可以很好地评定定向凝固柱晶高温合金的热裂倾向性，根据热裂情况的等级评定合金元素对热裂纹的影响程度，以提高合金的可铸性。
Description
技术领域
本发明属于定向凝固领域，涉及一种判定定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的方法。
背景技术
定向凝固高温合金的产生与发展是为了满足发动机性能和可靠性不断增长的需求。20世纪60年代中期，美国PW公司发明了定向凝固工艺。在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体在型壁上形核后，沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固。定向凝固技术可以较好地控制凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶，提高材料的纵向力学性能，因而自它诞生以来得到了迅速地发展，并逐渐应用到高温材料、磁性材料，复合材料等的研制中，成为凝固理论研究的重点之一。
美国首先将定向凝固工艺用于镍基高温合金，制成平行于主应力方向的低弹性模量的[001]取向柱状晶涡轮叶片，极大的提高了部件的蠕变强度、塑性及热疲劳性能。由此形成了定向凝固高温合金。从此，定向叶片成为各类先进发动机的重要特色，美国的GE以及英国的R·R等发动机厂都大量生产定向涡轮叶片、导向叶片等。定向凝固技术的发展使铸造高温合金承温能力大幅度提高，从承温能力最高的等轴晶合金到第四代单晶合金，其承温能力提高约180℃。
我国在20世纪70年代开始研制定向凝固柱晶高温合金，随着我国航空发动机的发展需求，定向凝固柱晶高温合金得到了迅速的发展和应用。DZ4、DZ125、IC10等合金已用于制作各种类型发动机的涡轮工作叶片和导向器叶片。
但是定向凝固空心气冷叶片易于出现热裂纹，可铸性差会限制定向凝固柱晶高温合金的应用。定向凝固柱晶高温合金可铸性的最重要标志是热裂倾向性，防止热裂纹的产生对获得健全铸件具有重要的意义。受研究条件的限制，对热裂纹形成的真实过程还无法直接观测。为此，采用定向凝固空心薄壁管状试样，研究定向凝固柱晶高温合金薄凝固过程 的裂纹形成倾向，建立定向高温合金热裂倾向性评定方法，用于评价成分变化对定向凝固柱晶高温合金可铸性的影响。（USPatent4169742中Rene'142合金研制中化学成分的调整首先是通过实验室裂纹实验来验证的，采取的可铸性实验是用一个套筒形坩埚，在其内部放一个直径较小的陶瓷管，在坩埚内开一个小于1英寸的槽，通过适当的垫片将陶瓷管放在坩埚里，直径为φ11mm的合金棒放在陶瓷管内，整个装置被放在能够进行定向凝固的机构里，当合金棒料熔化时，熔化的金属就会充满坩埚和陶瓷管之间的空间以及整个陶瓷管，并进行定向凝固，除去陶瓷管以及沉积在里面的合金，得到壁厚约为1.5mm的试管。根据实验结果制定了6个评定等级：A级—无裂纹；B级—顶端小裂纹切裂纹长度小于12.7mm；C级—1条较大的裂纹长度超过12.7mm；D级—2条或3条裂纹；E级—裂纹多于3条少于8条；F级—许多裂纹且大部分位于晶界。USPatent4169742与本专利中采用的试验方法和评价方法均不不同，本专利采用熔模铸造法制备管状试样，制备方法与叶片采用的制备方法完全一致，排除了试验制备方法不同造成的结果偏差；本专利中的管状试样尺寸是三种尺寸1.0mm、1.5mm和2.0mm，评定标准是根据三种尺寸的管状试样是否有裂纹及是否出现穿透性裂纹，评定了10个等级。）
发明内容
本发明的目的是：提供一种判定定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的方法。
本发明的技术方案是：针对定向凝固叶片薄壁特点，建立薄壁管状定向凝固试样装置。在试验过程中进行如下操作：
（1）根据空心叶片壁厚容易出现裂纹的区间范围，压制管状试样蜡模，管状试样蜡模的壁厚t分为三种尺寸，分别为t1=1.0mm、t2=1.5mm和t3=2.0mm，试样长度为120mm；
（2）每个厚度的管状试样为三个，九个管状试样均匀分布在一个蜡模底盘上，管状试样的一端焊接在蜡模底盘上，管状试样的另一端焊上相应的浇道和浇口杯蜡模，组合成一组定向凝固热裂试验用蜡模模组；
（3）按照通用的工艺步骤制备陶瓷壳型；
（4）在与浇铸叶片相同的工艺参数条件下，采用真空定向凝固炉对管状试样的精铸模壳进行热裂倾向性试验，依据试验结果将合金热裂倾 向性分为4个情况，即全不裂、t1试管裂、t1和t2试管裂，以及t1、t2和t3全裂；
（5）根据试验结果的4个情况，分别对不同情况进行处理。
所述的对试验结果出现穿透性裂纹时，进行工艺参数或合金参数调整。
本发明的优点是：本发明提出的方法，可以很好地评定定向凝固柱晶高温合金的热裂倾向性，根据热裂情况的等级评定合金元素对热裂纹的影响程度，在合金设计中淘汰热裂倾向严重的化学成分，对热裂倾向等级小的化学成分进行元素调整以提高合金的可铸性。
附图说明
图1是本发明管状试样示意图；
图2是本发明陶瓷壳型的结构示意图；
图3是本发明管状试样成蜡模底盘上的分布示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
参见图1、图2和图3，其特征在于，在制造精密铸造壳型的过程中进行如下操作：
（1）压制管状试样蜡模，壁厚t设计成三种尺寸，分别为t1=1.0mm、t2=1.5mm和t3=2.0mm，试样长度为120mm；
（2）每种三个组焊在直径为220mm的蜡模底盘上，九个试样均匀分布，再焊上相应的浇道和浇口杯蜡模，组合成一组定向凝固热裂试验用蜡模模组；
（3）按照正常的工艺步骤制备陶瓷壳型；
（4）在与浇铸叶片相同的工艺参数条件下，采用真空定向凝固炉对管状试样的精铸模壳进行热裂倾向性试验，依据试验结果将合金热裂倾向性分为4个情况，即全不裂、t1试管裂、t1和t2试管裂，以及t1、t2和t3全裂；
（5）根据试验结果的4个情况，分别对不同情况进行处理。
考虑薄壁定向凝固铸件易产生穿透性裂纹的特点，将三种尺寸管状试样的热裂纹情况分为三个等级，即无热裂纹（no）、只有非穿透性裂纹（np）和产生了穿透性裂纹（p）。分析热裂纹形成情况，三种尺寸的管 状试样出现热裂纹的情况只能存在10种情形，这10种情形分别是1.0no1.5no2.0no、1.0np1.5no2.0no、1.0np1.5np2.0no、1.0np1.5np2.0np、1.0p1.5no2.0no、1.0p1.5np2.0no、1.0p1.5np2.0np、1.0p1.5p2.0no、1.0p1.5p2.0np、1.0p1.5p2.0p。实际过程中，对于合金在相同工艺条件下，随热裂倾向增加，将热裂纹情况分为10个热裂倾向等级，如表1所示，等级越高，热裂越严重。
表1
注：no为不裂；np为非穿透性裂；p为穿透性裂
实施例。
选取北京航空材料研究院自行研制的定向合金IC10为试验材料，考察元素Ti、Al和B含量对合金热裂倾向性的影响。当合金中Ti元素含量分别为0.2%和0.8%时，合金的热裂倾向性等级分别为2级和4级，Al含量为6.1%时热裂倾向性等级为4级，B含量为0.03%时热裂倾向性等级为4-6级。为此合金调整为0%Ti、5.8%Al、0.015%B，热裂倾向性等级降为1级。采用0%Ti-5.8%Al-0.015%B的合金浇注某型发动机高压导向叶片没有出现热裂纹，表面质量完好，说明该合金具有良好的可铸性。
表2
Claims (2)
1.一种判定定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的方法，其特征在于，在试验过程中进行如下操作：
（1）根据空心叶片壁厚容易出现裂纹的区间范围，压制管状试样蜡模，管状试样蜡模的壁厚t分为三种尺寸，分别为t1=1.0mm、t2=1.5mm和t3=2.0mm，试样长度为120mm；
（2）每个厚度的管状试样为三个，九个管状试样均匀分布在一个蜡模底盘上，管状试样的一端焊接在蜡模底盘上，管状试样的另一端焊上相应的浇道和浇口杯蜡模，组合成一组定向凝固热裂试验用蜡模模组；
（3）按照通用的工艺步骤制备陶瓷壳型；
（4）在与浇铸叶片相同的工艺参数条件下，采用真空定向凝固炉对管状试样的精铸模壳进行热裂倾向性试验，依据试验结果将合金热裂倾向性分为4个情况，即全不裂、t1试管裂、t1和t2试管裂，以及t1、t2和t3全裂；
（5）根据试验结果的4个情况，分别对不同情况进行处理；即：将三种尺寸管状试样的热裂纹情况分为三个等级，即无热裂纹、只有非穿透性裂纹和产生了穿透性裂纹；分析热裂纹形成情况，三种尺寸的管状试样出现热裂纹的10种情形，这10种情形分别是1.0no1.5no2.0no、1.0np1.5no2.0no、1.0np1.5np2.0no、1.0np1.5np2.0np、1.0p1.5no2.0no、1.0p1.5np2.0no、1.0p1.5np2.0np、1.0p1.5p2.0no、1.0p1.5p2.0np、1.0p1.5p2.0p；其中，no为不裂；np为非穿透性裂；p为穿透性裂。
2.根据权利要求1所述的一种判定定向凝固柱晶高温合金热裂倾向性的方法，其特征在于，所述的试验结果出现穿透性裂纹时，进行工艺参数或合金参数调整。
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