CN102865944B - 定向凝固过程温度场分布评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及熔模铸造技术，具体为一种定向凝固过程温度场分布评定方法。该方法设计一种具有相同平台尺寸的模具，采用特定晶体学取向的籽晶，将模具压制的蜡模对称组装在模组中，铸造特定取向的单晶铸件；通过平台左右两侧相应的分枝区域越对称而温度场分布越均匀的规律，定性评定温度场分布情况。本发明在不使用测温仪器测量定向凝固过程温度场分布的前提下，可以定性表征定向凝固过程中的温度场分布情况。本发明可以解决定向凝固过程温度场分布难以精确评价的问题，为实际生产中定性判断定向凝固过程温度场分布情况提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及熔模铸造技术，具体为一种定向凝固过程温度场分布评定方法。
背景技术
定向凝固过程中，温度场分布情况是制备单晶高温合金叶片成功的关键因素，温度场分布越对称，单晶叶片越易制备成功。由于定向凝固炉是在高温和真空的苛刻条件下运行，因而定向凝固炉中的温度分布难以精确测量。
目前，定向凝固炉中温度数据采集常用方法如下：在陶瓷模壳的不同位置预先内置水平摆放的（内端密封）的陶瓷管，每个陶瓷管中插入一个热电偶，将所有热电偶外接于测温仪，该测温仪自动采集每个热电偶不同时刻的温度值。该方法需要多个热电偶，且操作繁琐。此外测温仪对温度的响应具有一定的滞后性，不能精确的反应温度场的变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向凝固过程温度场分布评定方法。在不测量定向凝固过程中温度的情况下，可以定性表征温度场分布的对称性。因此，本发明最大的优越性是不需要直接测量温度值，解决定向凝固炉中温度场分布的对称性难以准确反映的工程化问题。
本发明的技术方案是：
一种定向凝固过程温度场分布评定方法，设计具有相同平台尺寸的对称模具，采用特定晶体学取向的籽晶，将模具压制的蜡模对称组装在模组中，铸造特定取向的单晶铸件；通过平台左右两侧相应的分枝区域越对称而温度场分布越均匀的规律，定性评定温度场分布情况。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，模具叶身两侧的平台对称，即模具叶身的两侧对称设置外侧平台和内侧平台，叶身的底部通过锥形过渡到籽晶，外侧平台和内侧平台的左右两侧分别为平台左边缘、平台右边缘，内侧平台的内侧为平台内边缘，外侧平台的外侧为平台外边缘。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，模具中的平台具有相同的尺寸：平台长度L为1-100mm，平台高度H为1-100mm平台高度H为1-100mm。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，使用特定晶体学取向的籽晶制备单晶铸件，特定晶体学取向的籽晶为：籽晶的一次枝晶轴平行于铸件轴向，籽晶的二次枝晶臂平行于平台边缘。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，使用特定晶体学取向的籽晶制备单晶铸件，特定晶体学取向的籽晶为：籽晶的一次枝晶轴垂直于整个平台的横截面，籽晶的二次枝晶臂平行或垂直于平台横截面边缘。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，原始晶粒的二次枝晶首先沿平台底端的左/右边缘分枝生长，然后三次枝晶沿垂直于左/右边缘的方向生长，这些不同生长方向的枝晶最终长满整个平台。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，在蜡模模组的组装过程中，每个模组中按辐射状对称放置4个由模具压制的蜡模，内侧平台靠近模组中心，外侧平台远离模组中心。
所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，被评价材料为镍基单晶高温合金。
本发明的设计思想是：
本发明设计一种具有相同平台尺寸的模具，通过使用特定晶体学取向的籽晶，按照该模具铸造特定取向的单晶铸件。由于枝晶生长具有各向异性，平行于温度梯度方向的枝晶具有最快的生长速度，因而该发明所用籽晶的晶体学取向为：籽晶的一次枝晶轴垂直于整个平台的横截面，籽晶的二次枝晶臂平行或垂直于平台横截面边缘。通过分析平台底端横截面内的枝晶生长的对称性定性评价定向凝固过程温度场分布情况。原始晶粒的二次枝晶首先沿平台底端的左/右边缘分枝生长，然后三次枝晶沿垂直于左/右边缘的方向生长，甚至可能出现四次分枝，这些不同生长方向的枝晶最终长满整个平台。根据枝晶沿平台左/右边缘的分枝方式可将整个平台分为对应的不同区域，平台左/右边缘的分枝区域越对称，表明定向凝固过程温度场分布越均匀。在不使用测温仪器测量定向凝固过程温度场分布的前提下，可以定性表征定向凝固过程中的温度场分布情况。本发明可以解决定向凝固过程温度场分布难以精确评价的问题，为实际生产中定性判断定向凝固过程温度场分布情况提供依据。
本发明的有益效果是：
1.本发明根据枝晶生长的各向异性的理论，即枝晶沿温度梯度方向的生长速度最快，设计具有相同平台尺寸的模具，并且采用特定取向的籽晶，将模具压制的蜡模对称组装在模组中。平台底端横截面内的分枝区域越对称，定向凝固炉中的温度场越均匀。该方法可评价定向凝固炉不同高度的温度场分布情况。
2.本发明单晶铸件结构对称简单，易于铸造，能快速准确的定性评价定向凝固炉中的温度场分布情况。该方法成本低，便于推广应用。
附图说明
图1（a）为铸件的宏观形貌图；图1（b）为铸件在模组中的摆放方式。图中，1-外侧平台；2-叶身；3-内侧平台；4-籽晶；5-平台左边缘；6-平台右边缘；7-平台内边缘；8-平台外边缘；L-平台长度；H-平台高度；W-平台宽度。
图2为SRR99合金第5个外侧平台（自下而上）底端横截面内的枝晶生长方式。
图3为SRR99合金第5个外侧平台（自下而上）底端横截面内的枝晶生长方式。
图4为DD5合金第5个外侧平台（自下而上）底端横截面内的枝晶生长方式。
图5为平台底端横截面内的枝晶生长方式示意图。
具体实施方式
根据枝晶在温度梯度方向生长速度最快的理论，设计一种具有相同平台尺寸的对称模具，通过平台底端横截面内枝晶分枝生长越对称而温度场分布越均匀的规律，快速定性评定定向凝固炉不同高度处的温度场分布情况。
本发明定向凝固过程温度场分布评定方法，具体步骤如下：
1.模具设计
如图1（a）和（b）所示，模具叶身两侧的平台对称，即模具叶身2的两侧对称设置外侧平台1和内侧平台3，叶身2的底部通过锥形过渡到籽晶4，外侧平台1和内侧平台3的左右两侧分别为平台左边缘5、平台右边缘6，内侧平台3的内侧为平台内边缘7，外侧平台1的外侧为平台外边缘8，平台高度为H，平台宽度为W。
本实施例中，叶身(长×宽：10mm×10mm)，平台宽度W＝10mm，平台长度L=14mm，平台高度Ｈ恒定5mm。
2.蜡膜模组制备
如图1（b）所示，使用模具压制蜡模，将四个蜡模按辐射状对称地摆放在蜡膜模组中。远离模组中心的平台称为外侧平台，靠近模组中心的平台称为内侧平台。
3.陶瓷模壳制备
采用传统制作陶瓷模壳的工艺制备模壳，然后将模壳放入马弗炉中加热到900-1100℃，保温1-3小时后获得合格的陶瓷模壳。
4.合金浇注
在相同的凝固条件下，浇注不同的高温合金，铸造不同合金的单晶铸件。
5.枝晶生长方式观察
观察不同铸件相同高度平台底端横截面内的枝晶生长方式。通过对比平台底端左/右两边缘的枝晶生长方式定性分析温度场的分布。
实施例
图2为SRR99合金第5个外侧平台（自下而上）底端横截面内的枝晶生长方式。叶身内的原始枝晶在平台内沿两条路径分枝生长。路径一：A-B-C1-D1；路径二：A-B-C2。A指叶身内原始枝晶的区域；B指原始枝晶的二次枝晶臂在平台内的分枝区域；C1指垂直于平台左边缘的三次分枝区域；C2指垂直于平台右边缘的三次分枝区域；D1指来自于平台左边缘和外边缘的四次分枝区域。可知两条分枝路径相应的分枝区域的个数和面积均不同。沿路径一的分枝区域个数少且分枝区域面积小，这表明平台周围的温度场分布不均匀，即平台左边缘的温度梯度大于右边缘的温度梯度。
图3为SRR99合金第5个外侧平台（自下而上）底端横截面内的枝晶生长方式。叶身内的原始枝晶在平台内沿两条路径分枝生长。路径一：A-B-C1；路径二：A-B-C2。因而两条分枝路径相应的分枝区域个数相同，并且相应的分枝区域的面积也几乎相同。这表明平台周围的温度场分布均匀，即平台左边缘的温度梯度等于右边缘的温度梯度。
图4为DD5合金第5个外侧平台（自下而上）底端横截面内的枝晶生长方式。杂晶（与原始晶粒的晶体学取向不同的晶粒）从该平台的外边缘长入平台内，最后与原始晶粒的二次分枝汇聚于平台内而长满整个平台。杂晶与原始晶粒的晶界（黑色曲线）沿平台中心对称，表明平台周围的温度场分布均匀。
图5为平台底端横截面内的枝晶生长方式示意图。A指叶身内原始枝晶的区域；B指原始枝晶的二次枝晶臂在平台内的分枝区域；C1指垂直于平台左边缘的三次分枝区域；C2指垂直于平台右边缘的三次分枝区域；D1指来自于平台左边缘和外边缘的四次分枝区域。若区域D1存在，表明定向凝固炉内的温度场分布不均匀；若区域D1不存在，区域C1和区域C2越对称则定向凝固炉内的温度场分布越均匀。
Claims (6)
1.一种定向凝固过程温度场分布评定方法，其特征在于：设计具有相同平台尺寸的对称模具，采用特定晶体学取向的籽晶，将模具压制的蜡模对称组装在模组中，铸造特定取向的单晶铸件；通过平台左右两侧相应的分枝区域越对称而温度场分布越均匀的规律，定性评定温度场分布情况；
特定晶体学取向的籽晶为：籽晶的一次枝晶轴平行于铸件轴向，籽晶的二次枝晶臂平行于平台边缘；
或者，特定晶体学取向的籽晶为：籽晶的一次枝晶轴垂直于整个平台的横截面，籽晶的二次枝晶臂平行或垂直于平台横截面边缘。
2.按照权利要求1所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，其特征在于，模具叶身两侧的平台对称，即模具叶身的两侧对称设置外侧平台和内侧平台，叶身的底部通过锥形过渡到籽晶，外侧平台和内侧平台的左右两侧分别为平台左边缘、平台右边缘，内侧平台的内侧为平台内边缘，外侧平台的外侧为平台外边缘。
3.按照权利要求1所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，其特征在于，模具中的平台具有相同的尺寸：平台长度L为1-100 mm，平台高度H为1-100 mm。
4.按照权利要求1所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，其特征在于：原始晶粒的二次枝晶首先沿平台底端的左/右边缘分枝生长，然后三次枝晶沿垂直于左/右边缘的方向生长，这些不同生长方向的枝晶最终长满整个平台。
5.按照权利要求1所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，其特征在于：在蜡模模组的组装过程中，每个模组中按辐射状对称放置4个由模具压制的蜡模，内侧平台靠近模组中心，外侧平台远离模组中心。
6.按照权利要求1所述的定向凝固过程温度场分布评定方法，其特征在于：被评价材料为镍基单晶高温合金。
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