CN106563773B - 一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法 - Google Patents

一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合金定向凝固领域，具体涉及一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法。在制备用于单晶叶片生产的模壳时在背层使用加入二硼化钛的浆料对叶片缘板处进行单独挂浆，其他模壳制备工艺不变。单晶叶片定向凝固过程中使用激光加热单晶叶片容易出现杂晶缺陷的缘板处模壳，通过模壳对激光能量的有效吸，使单晶叶片缘板处处于局部保温状态。本发明利用激光加热能量高度集中和加热迅速的特点，合理控制了单晶叶片缘板处合金凝固时缘板处的温度，避免缘板处接近定向凝固隔热板区域时处于局部过冷，进而自发形核产生杂晶缺陷，从而保证单晶顺利生长。

Description

一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
技术领域
本发明涉及合金定向凝固领域，具体涉及一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法。
背景技术
燃气轮机以其优越的性能首先在航空发动机领域得到广泛应用，为了提高航空发动机的动能效率，人们利用高温合金定向凝固技术将涡轮机叶片制成单晶形态，使叶片的高温使用寿命提高了几十倍，随着燃气轮机技术的不断进步，最近三十年来，借助把航空发动机的单晶叶片技术应用到大型工业燃气轮机的叶片制造中，大幅度提高了工业燃气轮机效率。由于工业内燃机尺寸远大于航天叶片，使得其单晶铸件的生产变得更加困难，目前在定向凝固技术生产形状复杂的单晶涡轮叶片过程中遇到的主要问题之一就是会形成杂晶。在叶片缘板部分(附图中A处)，由于铸件在垂直热流方向上横截面积突变，很容易促使新晶粒的形核、长大(附图B处)。由于单晶合金中除去了晶界强化元素，所以这些杂晶的晶界将成为单晶叶片的薄弱环节，使用中成为裂纹源，最终导致叶片的断裂。通过各种技术途径，改进单晶铸件定向凝固过程中温度场的分布，防止局部出现杂晶，是单晶叶片制备的重要技术。
中国专利CN101537484A公开了一种能够有效改善单晶铸件凝固过程中温度场分布的方法，具体为：在熔(蜡)模表面第一层或第二层陶瓷模壳形成后，将热导体用制壳用陶瓷浆料粘接在铸件凝固向外部传热过程中易出现热障的部位，热导体为石墨或SiC.按通常精密铸造模壳的制备方法，通过淋浆、挂砂，挂完砂后将热导体外的积砂抹去后进行烧结，该发明通过植入热导体，可将叶冠内角处的热及时散出，使其迅速冷却至液相线温度以下，叶片本部的单晶生长可以迅速进入叶冠向外缘处扩展，避免此处因长时间过冷而产生杂晶。此方法虽然能够一定程度上防止单晶铸件产生杂晶，但是模壳中植入热导体不仅会使模壳容易产生裂纹降低模壳强度，在单晶铸件浇铸过程中模壳开裂会使金属液漏出导致铸件报废。而且热导体的体积难以计算，热导体体积不够会使导热能力不够，导热体体积过大会使铸件局部过冷，这两个因素仍然会使杂晶产生。
中国专利CN102166643A公开了一种能够有效改善单晶叶片杂晶缺陷的方法，具体为：在制备用于单晶叶片生产的熔模铸造模壳的过程中，将陶瓷纤维保温块植入到单晶叶片容易出现杂晶缺陷的叶片缘板处的模壳中，所述的陶瓷纤维保温块由耐高温陶瓷纤维模块根据叶片缘板处的模壳形状预制成U型，并能使得陶瓷纤维保温块的U型内腔包含住缘板处的全部模壳。本发明利用陶瓷纤维保温块导热率极低的特点，合理控制了单晶叶片缘板处合金凝固时凝固前沿到达单晶叶片缘板处时的液相线温度等温线形态，使得缘板接近定向凝固隔热板区域时，热量主要通过单晶叶片主体导出，避免了缘板处的自发形核，从而保证单晶顺利生长。此方法虽然能够一定程度上起到保温作用改善单晶叶片缘板处温度场分布，减少杂晶的产生，但是使用浆料作为陶瓷纤维与模壳的粘结剂粘结处强度很低，很难做到陶瓷纤维与模壳的贴合，况且在模壳制备过程中后两层使用的是粗砂，这就使U型保温块与模壳间产生空隙不可避免，模壳强度难以得到保证。而且U型保温块保温效果受保温块体积影响，体积过大过小都会使缘板处的温度场有利于杂晶缺陷产生。
本发明与中国专利CN101537484A和中国专利CN102166643A的不同之处在于利用激光加热能量密度大、加热速度快的特性，并且在加热部位的模壳中添加高温性质稳定、熔点高、烧结强度后强度高且呈深色的二硼化钛来增加激光的吸收率，在浇铸过程中对接近定向凝固隔热板区域时的单晶叶片缘板处进行保温，使缘板处和单晶叶片温度相同，避免了由于缘板处散热过快导致的自发形核，从而防止了单晶叶片杂晶缺陷的产生。而当缘板部分凝固完成之后，可及时停止激光加热，避免缘板长时间处于保温状态。
发明内容
本发明所要解决的问题是，针对现有技术不足，提供一种防止叶片缘板处杂晶的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术解决方案如下：
1.本发明的内容在于提供一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，在单晶叶片制备过程中使用本发明，能够显著提高单晶叶片缘板在隔热板附近区域的水平温度分布均匀性，大幅降低出现杂晶缺陷的几率，从而明显提高单晶叶片成品率。
2.本发明涉及一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，主要从改进模壳制备方法和激光加热两个方面进行实施。
3.模壳制备的具体步骤如下：
(1)制备浆料。硅溶胶与刚玉粉的质量比为1：3，其中刚玉粉为200目和320目的混合刚玉粉，混合质量比例为1:2；混浆桶的转速设置为60rad/min，称量硅溶胶加入混浆桶中，搅拌30min后，将刚玉粉分10次加入到混浆桶中，每次加入的间隔时间为2小时；每次加入时使用工具对产生的块状沉淀进行破碎处理，保证浆料不产生沉降。
(2)面层挂浆、淋砂。将面层浆料粘度调节为15～25秒，将组装好的蜡模(要求彻底清洁干燥)竖直浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；挂浆后即进行淋砂，淋砂所使用的面层砂粒度为80～120目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面；吹净表面浮砂，放置于通风处干燥6～8个小时，下次淋浆前用空压机吹拂表面浮砂。
(3)过渡层挂浆、淋砂。将过渡层的浆料粘度调节为12～15秒，使用过渡层砂粒度为40～60目，其余步骤与步骤(2)相同。
(4)步骤(2)中所述面层为2层，过渡层为1层。
(5)单独制备加入二硼化钛的浆料。模壳制备好第二层后，单独制备加入陶瓷材料二硼化钛的浆料；用L型混浆桶制备背层浆料，刚玉、二硼化钛、硅溶胶的质量比为1：1：1～2：1：1，刚玉砂和二硼化钛的粒度均为200～320目连续搅拌5小时以上。并将浆料粘度调节为10秒。
(6)背层挂浆、淋砂。将过渡层浆料粘度调节为10s，背层挂浆前使用塑料薄膜将叶片变截面处进行缠绕包裹。将面层干燥完成的蜡模竖直浸入浆料桶内，让浆料充分均匀润湿模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；然后取下塑料薄膜，此时叶片变截面处仍处于未挂浆状态。使用喷壶将单独制备的加入二硼化钛的浆料均匀喷涂在未挂浆的部分直至浆料充分润湿模组并且厚度与其他部分相同。挂浆后即进行淋砂，背层砂的粒度为20～40目，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，置于干燥处干燥4小时，下次挂浆前，吹尽浮砂。
(7)重复步骤(6)直到背层达到6层。
(8)封浆、脱蜡、焙烧。封浆使用背层浆料，将模壳浸入浆料桶内润湿，取出后干燥2小时。模壳脱蜡温度为150～160℃、脱蜡压力为0.7～0.8MPa、脱蜡时间15～20min，脱蜡后冷却30分钟以上，模壳焙烧温度为1000～1200℃、时间为1小时，焙烧后关闭炉体电源随炉冷却至室温，取出模壳。
注：步骤(2)、(3)、(5)、(6)中使用硅溶胶与去离子水的混合液调节浆料粘度，混合体中硅溶胶与水的质量比为3:1，粘度测量工具为国标詹氏杯。
3.单晶叶片定向凝固过程中，当模壳下拉到隔热板区时，采用激光(附图1中5处)持续加热叶片缘板处模壳，保持缘板处温度和叶身一致。
4.本发明所述的加热激光功率为5～15kw。
附图说明
图1为原理示意简图；A：叶片缘板处B：可能出现的杂晶位置。
1.缘板部分模壳；2.上炉体；3.隔热板区域；4.下炉体；5.激光加热装置。
图2为叶片缘板处；(a)未经激光加热的叶片缘板(b)经过激光加热的缘板。
具体实施方式
以下用给出的实施例对本发明作进一步详细的描述，以完整准确的理解本发明的特点。
以下是发明人给出的一个具体的实施例。
本发明一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，包括以下步骤：(1)制备浆料：硅溶胶与刚玉粉的比例为1：3，其中刚玉粉为200目和320目混合刚玉粉，混合比例为1:2；混浆桶的转速设置为60rad/min，称量30kg硅溶胶加入混浆桶中，搅拌30min后，将90kg刚玉粉分10次加入到混浆桶中，每次加入的间隔时间为2小时，每次加入时使用工具对产生的块状沉淀进行破碎处理，保证浆料不产生沉降。
(2)面层挂浆、淋砂。使用硅溶胶与去离子水的混合液调节浆料粘度，混合体胶、水比为3:1，将面层浆料粘度调节为20秒，将组装好的蜡模(要求彻底清洁干燥)竖直浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；挂浆后即进行淋砂，淋砂所使用的面层砂粒度为80～120目混合砂,反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面。吹净表面浮砂，放置于通风处干燥6～8个小时，下次淋浆前用空压机吹拂表面浮砂。
(3)过渡层挂浆、淋砂。将过渡层的浆料粘度调节为12秒，使用过渡层砂粒度为40～60目，其余步骤与步骤(2)相同。
(4)步骤(2)中所述面层为2层，过渡层为1层。
(5)单独制备加入二硼化钛的浆料。模壳制备好第二层后，单独制备加入陶瓷材料二硼化钛的浆料。用L型混浆桶制备背层浆料，刚玉、二硼化钛、硅溶胶的质量比为2：1：1，刚玉砂和二硼化钛的粒度均为200～320目，连续搅拌5小时以上。并将浆料粘度调节为10秒。
(6)背层挂浆、淋砂。使用硅溶胶与去离子水的混合体将浆料粘度调节为10s，背层挂浆前使用塑料薄膜将叶片变截面处进行缠绕包裹。将面层干燥完成的蜡模竖直浸入浆料桶内，让浆料充分均匀润湿模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀。然后取下塑料薄膜，此时叶片变截面处仍处于未挂浆状态。使用喷壶将单独制备的加入二硼化钛的浆料均匀喷涂在未挂浆的部分直至浆料充分润湿模组并且厚度与其他部分相同。挂浆后即进行淋砂，背层砂的粒度为20～40目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，置于干燥处干燥4小时，下次挂浆前，吹尽浮砂；
(7)重复步骤(6)直到背层达到6层。
(8)封浆、脱蜡、焙烧。封浆使用背层浆料，将模壳浸入浆料桶内润湿，取出后干燥2小时。模壳脱蜡温度为150～160℃、脱蜡压力为0.7～0.8MPa、脱蜡时间15～20min，脱蜡后冷却30分钟以上，模壳焙烧温度为1000～1200℃、时间为1小时，焙烧后关闭炉体电源随炉冷却至室温，取出模壳。
(9)进行单晶叶片的定向凝固。合金的浇注温度为1500℃，抽拉速度为3mm/min，上炉体温度为1500℃，下炉体为20℃，如附图1所示，当叶片的缘板处下拉至隔热板区域时，采用10kw的激光对缘板处加热，一分钟后激光停止加热。
如附图2所示，在使用本发明所述的方法后，单晶叶片缘板处杂晶数量明显减少。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征在于，利用激光，并且在加热部位的模壳中添加二硼化钛来增加激光的吸收率，在浇铸过程中对接近定向凝固隔热板区域时的单晶叶片缘板处进行保温，使缘板处和单晶叶片温度相同，而当缘板部分凝固完成之后，及时停止激光加热，避免缘板长时间处于保温状态；具体步骤如下：
(1)制备浆料：硅溶胶与刚玉粉的质量比为1：3，其中刚玉粉为200目和320目的混合刚玉粉，混合质量比例为1:2；混浆桶的转速设置为60rad/min，称量硅溶胶加入混浆桶中，搅拌30min后，将刚玉粉分10次加入到混浆桶中，每次加入的间隔时间为2小时；每次加入时使用工具对产生的块状沉淀进行破碎处理，保证浆料不产生沉降；
(2)面层挂浆、淋砂：将面层浆料粘度调节为15～25秒，将组装好的清洁干燥后的蜡模竖直浸入桶内，让浆料充分并均匀湿润模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；挂浆后即进行淋砂，淋砂所使用的面层砂粒度为80～120目混合砂，反复转动蜡模，使砂均匀分布在蜡模表面；吹净表面浮砂，放置于通风处干燥6～8个小时，下次淋浆前用空压机吹拂表面浮砂；
(3)过渡层挂浆、淋砂：将过渡层的浆料粘度调节为12～15秒，使用过渡层砂粒度为40～60目，其余步骤与步骤(2)相同；
(4)单独制备加入二硼化钛的浆料：模壳制备好第二层后，单独制备加入陶瓷材料二硼化钛的浆料；用L型混浆桶制备背层浆料，刚玉粉、二硼化钛、硅溶胶的质量比为1：1：1～2：1：1，刚玉粉和二硼化钛的粒度均为200～320目连续搅拌5小时以上，并将浆料粘度调节为10秒；
(5)背层挂浆、淋砂：将过渡层浆料粘度调节为10秒，背层挂浆前使用塑料薄膜将叶片变截面处进行缠绕包裹，将过渡层干燥完成的蜡模竖直浸入浆料桶内，让浆料充分均匀润湿模组后，取出慢慢转动至无涂料堆积、滴落现象时，用吹风机轻轻吹拂，以除去气泡并使浆料涂挂均匀；然后取下塑料薄膜，此时叶片变截面处仍处于未挂浆状态，使用喷壶将单独制备的加入二硼化钛的浆料均匀喷涂在未挂浆的部分直至浆料充分润湿模组并且厚度与其他部分相同，挂浆后即进行淋砂，背层砂的粒度为20～40目，反复转动蜡模，使砂均匀分布，吹尽浮砂，置于干燥处干燥4小时，下次挂浆前，吹尽浮砂；
(6)重复步骤(5)直到背层达到6层；
(7)封浆、脱蜡、焙烧；
(8)进行单晶叶片的定向凝固：单晶叶片定向凝固过程中，当模壳下拉到隔热板区时，采用激光持续加热叶片缘板处模壳，保持缘板处温度和叶身一致。
2.如权利要求1所述的一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述面层为1层；步骤(3)中，所述过渡层为1层。
3.如权利要求1所述的一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征在于，步骤(7)中，封浆使用背层浆料，将模壳浸入浆料桶内润湿，取出后干燥2小时；模壳脱蜡温度为150～160℃、脱蜡压力为0.7～0.8MPa、脱蜡时间15～20min，脱蜡后冷却30分钟以上，模壳焙烧温度为1000～1200℃、时间为1小时，焙烧后关闭炉体电源随炉冷却至室温，取出模壳。
4.如权利要求1所述的一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征在于，步骤(2)、(3)、(4)、(5)中使用硅溶胶与去离子水的混合液调节浆料粘度，混合液中硅溶胶与去离子水的质量比为3:1，粘度测量工具为国标詹氏杯。
5.如权利要求1所述的一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法，其特征在于，步骤(8)中，所述的激光功率为5～15kw。
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