CN107034388A - 镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺 - Google Patents
镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。本发明所采用的镍基高温合金具有优秀的高温性能以及良好铸造性能，同时在铸造过程中能够有效避免有害相以及铸造缺陷的产生；通过数据以及选晶效果对选晶参数进行优化，通过制备高精度螺旋选晶器获得的镍基单晶高温合金，单晶质量以及合格率极为优秀，保证后续通过液态金属冷却法制备的涡轮叶片中晶界的有效消除、微观组织的有效改善以及整体性能的显著提升。
Description
技术领域
本发明属于航空精密铸造领域，具体涉及一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺。
背景技术
航空航天产业是国家综合国力的集中体现和重要标志，是国家先进制造业的重要组成部分，是国家科技创新体系一支重要力量，是国家战略产业。航空发动机是航空航天产业最为重要的部件，被称为工业中的皇冠，发动机中的叶片则是发动机中的心脏，其制造成本约占整机的25%至30%，而叶片制造的关键技术在于单晶凝固生产过程，叶片材料以及选晶器的好坏则决定了单晶叶片的材料取向性能，一直以来是国内叶片制造技术的瓶颈之一。
镍基高温合金因具有良好的机械性能，被广泛应用于航空、航天、航海以及能源化工领域，镍基单晶高温合金更是以其优异的高温力学性能成为先进航空发动机设计的首选材料。但是在生产中，单晶高温合金涡轮叶片因取向偏离、杂晶、缩松等凝固缺陷的存在导致其废品率较高，因为这些凝固缺陷成为单晶高温合金研究的主要问题，而选晶过程则是造成晶体取向偏离以及杂晶等缺陷形成的主要原因之一。
因此，为了解决以上问题研制出一种能够有效避免凝固缺陷的产生，并提高叶片各项性能的制作工艺是本领域技术人员所急需解决的难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
进一步地，制备工艺具体包括：
（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.75～2%、Co＜3%、Mo：2.9～4.25%、Re：3～7%、Ru＜2.2%、W：6.3～8.1%、Al：2.9～6.75%、Ti＜2%、Ta：4.7～8.2%、Nb＜0.15%、Hf：0.03～0.12%、B＜0.03%、Zr＜0.015%、V＜0.8%、稀土元素＜0.05%、其他为Ni；
（2）分别选取3～5组选晶参数不同的选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数制备选晶器；
（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；
（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过定向凝固法制备涡轮叶片。
进一步地，镍基高温合金的组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.9%、Co：2.1%、Mo：4%、Re：6.5%、Ru：1.5%、W：7.2%、Al：3.2%、Ti：0.2%、Ta：8%、Hf：0.05%、B：0.01%、Zr：0.005%、V：0.35%、稀土元素：0.02%、其他为Ni。
进一步地，稀土元素为Y、Ce以及Lu中的任意一种或者任意几种的组合。
进一步地，步骤（2）的选晶器为螺旋选晶器；选晶参数包括螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距。
进一步地，步骤（5）中的定向凝固法为液态金属冷却法。
进一步地，步骤（3）的具体方法为：以无碱玻璃纤维为原料，按照步骤（2）得到的最优选晶参数，通过3D打印制备选晶器。
本发明提供了一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，首先进行镍基单晶高温合金的成分选取，考虑到镍基单晶高温合金用于航空发动机叶片时，不仅需要具备优异的高温强度、抗疲劳性能、抗高温腐蚀性和高温合金组织稳定性，还需要具备优异的承温能力，本发明首先按照如下组分配比选取镍基单晶高温合金，Cr：1.75～2%、Co＜3%、Mo：2.9～4.25%、Re：3～7%、Ru＜2.2%、W：6.3～8.1%、Al：2.9～6.75%、Ti＜2%、Ta：4.7～8.2%、Nb＜0.15%、Hf：0.03～0.12%、B＜0.03%、Zr＜0.015%、V＜0.8%、稀土元素＜0.05%、其他为Ni；Cr作为固溶强化元素能够提高镍基高温合金的抗热腐蚀和氧化性能，但是Cr同时也是拓扑密排相（TCP）的形成元素，而TCP相对镍基高温合金涡轮叶片的高温合金性能是有害的，因此不宜过高；Co能够使强化相γ′均匀分布在基体γ相内起到强化高温合金的作用；Mo能够通过起到强化γ′和γ的作用，但是对镍基高温合计内的抗腐蚀性能有消极作用；Re可以起到提高镍基单晶高温合金的承温能力、抗腐蚀性和抗氧化能力的作用，但是Re元素的密度较大，凝固过程中偏析于枝晶干增加了雀斑缺陷形成的倾向性，同时Re降低了镍基高温合金在高温条件下的组织稳定性；Ru能够起到稳定合金组织和提高力学性能的效果，但是价格非常昂贵，需要严格控制；W可以提高镍基高温合金的高温性能，但是W在凝固过程中强烈地偏析于γ枝晶干，当W的含量较高时会引起糊状区内液相的热质对流，增加雀斑缺陷形成的倾向性；Al的作用是提高合金中γ′相的含量，同时为在铸件表面形成Al2O3保护层提高基本元素，以提高铸件的抗氧化能力；Ti、Ta以及Nb能够代替Al原子强化γ′相，尤其是高温下的力学新能，然而当这些元素的含量超过一定量之后就会形成脆性的TCP相；Hf的主要作用是改善合金的铸造性；B、Zr在合金中主要起强化晶界的作用，但是降低了合金的初熔温度；微量的V能够赋予镍基高温合金一些特殊的机能，例如提高抗张强度和屈服点；稀土元素能够有效改善镍基高温合金的部分性能。通过上述成分组成的相互作用，例如Mo、W能够减慢Al、Ti以及Cr的高温扩散，增加扩散激活能；稀土元素与Ru相配合，可增强组织稳定性，降低共晶含量，提升高温蠕变性能等，既能够显著提高镍基高温合金的高温性能，又能够有效避免有害相和铸造缺陷的出现，同时具有优秀的铸造性能，明显超过现有镍基高温合金的性能以及制备工艺性，同时本发明还提供了一组最优成分配比。
随后选取3～5组选晶参数不同的选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数，并通过得到的最优选晶参数制备选晶器。考虑到螺旋选晶器的选晶效果最为优秀，首先通过几组选晶参数不同的螺旋选晶器模拟选晶过程，并分别获得螺旋起升角、螺旋直径以及螺旋螺距对选晶效果的影响，优化现有螺旋选晶器的选晶参数，获得最优选晶参数，并制造获得最优螺旋选晶器；通过获得的最优螺旋选晶器制备镍基单晶高温合金，再通过液态金属冷却法制备涡轮叶片，不仅可以大大提高叶片的冷却效率，同时还可以显著改善叶片的微观组织，包括：细化枝晶、改善γ′相和碳化物、减少疏松含量。
同时本发明为了提高最优螺旋选晶器的制备精度，以无碱玻璃纤维为主要原料，辅以增强成分作为打印材料，通过3D打印生产制备。
本发明与现有技术相比，所采用的镍基高温合金具有优秀的高温性能以及良好铸造性能，同时在铸造过程中能够有效避免有害相以及铸造缺陷的产生；通过数据以及选晶效果对选晶参数进行优化，通过制备高精度螺旋选晶器获得的镍基单晶高温合金，单晶质量以及合格率极为优秀，保证后续通过液态金属冷却法制备的涡轮叶片中晶界的有效消除、微观组织的有效改善以及整体性能的显著提升。
附图说明
图1、螺旋起升角与选晶高度的折线图；
图2、螺旋直径与选晶高度的折线图；
图3、螺旋螺距与选晶高度的折线图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
本发明提供了一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
制备工艺具体包括：
（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.75%、Co：1%、Mo：2.9%、Re：3%、Ru：0.5%、W：6.3%、Al：2.9%、Ti：0.5%、Ta：4.7%、Nb：0.05%、Hf：0.03%、B：0.005%、Zr：0.01%、V：0.2%、稀土元素：0.01%、其他为Ni；稀土元素为Y；
（2）分别选取4组选晶参数不同的螺旋选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数；选晶参数按照螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距的顺序依次为：
A组（20°、2mm、13mm）、B组（30°、3mm、15mm）、C组（40°、4mm、17mm）、D组（50°、5mm、19mm）；
经过模拟选晶过程以及图1、2、3，我们可以获得，螺旋起升角越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋直径越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋螺距越宽，选晶高度越低，选晶效率越低；综合考虑后，预选选晶参数分别为：20°、2mm、19mm，考虑到支撑强度以及螺旋直径在达到3mm后选晶才趋于稳定，因此所选选晶参数调整为19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数，以无碱玻璃纤维为原料，通过3D打印制备螺旋选晶器；
（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；
（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过液态金属冷却法制备涡轮叶片。
实施例2：
本发明提供了一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
制备工艺具体包括：
（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：2%、Co：2.9%、Mo：4.25%、Re：7%、Ru：2.1%、W：8.1%、Al：6.75%、Ti：1.95%、Ta：8.2%、Nb：0.13%、Hf：0.12%、B：0.028%、Zr：0.014%、V：0.7%、稀土元素：0.04%、其他为Ni；稀土元素为Y以及Lu的组合；
（2）分别选取4组选晶参数不同的螺旋选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数；选晶参数按照螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距的顺序依次为：
A组（20°、2mm、13mm）、B组（30°、3mm、15mm）、C组（40°、4mm、17mm）、D组（50°、5mm、19mm）；
经过模拟选晶过程以及图1、2、3，我们可以获得，螺旋起升角越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋直径越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋螺距越宽，选晶高度越低，选晶效率越低；综合考虑后，预选选晶参数分别为：20°、2mm、19mm，考虑到支撑强度以及螺旋直径在达到3mm后选晶才趋于稳定，因此所选选晶参数调整为19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数，以无碱玻璃纤维为原料，通过3D打印制备螺旋选晶器；
（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；
（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过液态金属冷却法制备涡轮叶片。
实施例3：
本发明提供了一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
制备工艺具体包括：
（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.9%、Co：2%、Mo：3.9%、Re：6%、Ru：1.6%、W：7%、Al：3.5%、Ti：0.3%、Ta：7.8%、Nb：0.05%、Hf：0.06%、B：0.01%、Zr：0.006%、V：0.4%、稀土元素：0.02%、其他为Ni；稀土元素为Y、Ce以及Lu的组合；
（2）分别选取4组选晶参数不同的螺旋选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数；选晶参数按照螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距的顺序依次为：
A组（20°、2mm、13mm）、B组（30°、3mm、15mm）、C组（40°、4mm、17mm）、D组（50°、5mm、19mm）；
经过模拟选晶过程以及图1、2、3，我们可以获得，螺旋起升角越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋直径越大，选晶高度越高，选晶效率越低；螺旋螺距越宽，选晶高度越低，选晶效率越低；综合考虑后，预选选晶参数分别为：20°、2mm、19mm，考虑到支撑强度以及螺旋直径在达到3mm后选晶才趋于稳定，因此所选选晶参数调整为19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数，以无碱玻璃纤维为原料，通过3D打印制备螺旋选晶器；
（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；
（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过液态金属冷却法制备涡轮叶片。
镍基高温合金的组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.9%、Co：2.1%、Mo：4%、Re：6.5%、Ru：1.5%、W：7.2%、Al：3.2%、Ti：0.2%、Ta：8%、Hf：0.05%、B：0.01%、Zr：0.005%、V：0.35%、稀土元素：0.02%、其他为Ni；稀土元素为Y、Ce以及Lu中的任意一种或者任意几种的组合。
实施例4：
本发明提供了一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
制备工艺具体包括：
（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.9%、Co：2.1%、Mo：4%、Re：6.5%、Ru：1.5%、W：7.2%、Al：3.2%、Ti：0.2%、Ta：8%、Hf：0.05%、B：0.01%、Zr：0.005%、V：0.35%、稀土元素：0.02%、其他为Ni；稀土元素为Y、Ce以及Lu的组合；
（2）根据实施例1～3直接将选晶参数调整为19.5°、3mm、19mm；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数，以无碱玻璃纤维为原料，通过3D打印制备螺旋选晶器；
（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；
（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过液态金属冷却法制备涡轮叶片。
实施例1步骤（2）通过选取4组选晶参数，将选晶参数与选晶高度一一对应，即附图1、2、3，得出各选晶参数与选晶高度的影响，得出较为优秀的选晶参数，并根据实际情况以及分析对其进行调整，获得最优选晶参数。实施例1、2、3中不断对镍基单晶高温合金的成分以及配比进行调节，并通过测试实施例1、2、3获得的涡轮叶片的整体性能，得到实施例3中的成分配比较为优秀，最后通过实施例4中对成分配比的微调获得整体性能即为优秀的涡轮叶片，实施例4为最佳实施例。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：制备工艺包括以下步骤：镍基单晶高温合金的成分选取、选晶器的参数设计、选晶器的制备、镍基单晶高温合金的制备以及制备涡轮叶片。
2.根据权利要求1所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：制备工艺具体包括：
（1）选取镍基单晶高温合金，其组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.75～2%、Co＜3%、Mo：2.9～4.25%、Re：3～7%、Ru＜2.2%、W：6.3～8.1%、Al：2.9～6.75%、Ti＜2%、Ta：4.7～8.2%、Nb＜0.15%、Hf：0.03～0.12%、B＜0.03%、Zr＜0.015%、V＜0.8%、稀土元素＜0.05%、其他为Ni；
（2）分别选取3～5组选晶参数不同的选晶器，模拟选晶过程，优化选晶参数，并获得最优选晶参数；
（3）按照步骤（2）得到的最优选晶参数制备选晶器；
（4）通过步骤（3）获得的选晶器利用选晶法制备镍基单晶高温合金；
（5）将步骤（4）得到的镍基单晶高温合金通过定向凝固法制备涡轮叶片。
3.根据权利要求2所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：所述镍基高温合金的组成成分以及各成分所占质量百分比分别为：Cr：1.9%、Co：2.1%、Mo：4%、Re：6.5%、Ru：1.5%、W：7.2%、Al：3.2%、Ti：0.2%、Ta：8%、Hf：0.05%、B：0.01%、Zr：0.005%、V：0.35%、稀土元素：0.02%、其他为Ni。
4.根据权利要求3所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：所述稀土元素为Y、Ce以及Lu中的任意一种或者任意几种的组合。
5.根据权利要求2所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：所述步骤（2）的选晶器为螺旋选晶器；所述选晶参数包括螺旋起升角、螺旋直径、螺旋螺距。
6.根据权利要求2所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：所述步骤（5）中的定向凝固法为液态金属冷却法。
7.根据权利要求2所述的一种镍基单晶高温合金涡轮叶片的制备工艺，其特征在于：所述步骤（3）的具体方法为：以无碱玻璃纤维为原料，按照步骤（2）得到的最优选晶参数，通过3D打印制备选晶器。
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