CN107574473A - 一种z型选晶器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密铸造应用技术领域，具体公开了一种Z型选晶器，由支撑块、支撑柱、定位圈、若干个起晶端、若干个约束段、若干个选晶段和若干个过渡段组成，其中，若干个过渡段的一端分别与定位圈连接。本发明的一种Z型选晶器的有益效果在于：晶粒选晶段中成长的过程中可减小发生杂晶的几率，选晶段采用合适尺寸的直径，既保证选晶效率，又保证选晶段的强度，保证晶粒的顺利成型，选晶段采用了合理的起升角度，可以保证晶粒顺利成长的同时，也可以保证选晶段高度不会过高，从而提高了工作效率；10个相配合使用的起晶端、约束段、选晶段和过渡段且尺寸不同，提高了选晶器的制作效率且减小发生杂晶的几率，显著提高选晶效率。
Description
技术领域
本发明属于精密铸造应用技术领域，具体涉及一种Z型选晶器。
背景技术
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、航海以及能源化工等领域，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。但是工业生产中，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而导致其废品率较高，因而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，但是目前对选晶法制备镍基单晶高温合金过程中的选晶机制还不是很清楚、对选晶器的设计还依靠经验、尚未建立选晶阶段与缺陷形成的相关性。
以往的研究表明，选晶器的几何参数（引晶段和选晶段参数）直接决定最终的选晶结果，认为增加引晶段的高度和引晶段直径之间的比值，可以提高单晶的合格率，同时采用二维模型，模拟研究了选晶器倾斜角对单晶合格率的影响，结果表明：当选晶器倾斜角在30度-40度左右时，单晶的合格率是最高的，在选晶器直径较小范围内，随着直径的增加，单晶合格率也增加，同时选晶器的高度和引晶段直径对最终单晶的合格率没有明显影响，通过数值模拟和实验研究，分析了不同选晶器的晶粒竞争生长和晶粒选择的过程，研究结果表明：选晶器的几何特征对选晶效果有着很大的影响，随着起升角的增大，单晶组织在选晶段内的获得位置逐渐增加，研究结果同时表明，随着选晶直径的增加，单晶组织在选晶段内获得的位置逐渐降低。因此，二维选晶器的设计中要综合考虑引晶段和选晶段的几何结构和参数对单晶质量的影响，以提高单晶叶片的合格率并结合籽晶法优化并控制最终单晶取向。
在单晶制备过程中应尽量降低选晶器的高度，从而保证叶片的长度和降低凝固缺陷形成的倾向，但是当选晶器引晶段高度较低时，引晶段内晶粒取向优化效果并不明显，会导致最终单晶取向较差；当选晶器选晶段的高度太低（选晶段参数不合适）又会影响选晶过程的顺利进行，造成通道内杂晶的形成，从而影响最终单晶的质量，甚至会导致选晶过程的失败，不能获得单晶组织。因此，在选晶法制备镍基单晶高温合金涡轮叶片过程中，要保证叶片的足够长度和高的选晶成功率，就必须合理的设计选晶器的尺寸。然而，尽管选晶技术在工业生产领域得到了较为广泛的应用，但对选晶过程的研究远没有达到对单晶本身的重视程度，不利于单晶生长技术的发展。
国外对于选晶器结构和参数的设计较为成熟，工业生产中也能够保证较高的合格率，但是选晶器结构和尺寸属于单晶制备的技术秘密，国外高度保密，必须自主攻关。目前国内相关单位虽已可以利用选晶法制备单晶高温合金涡轮叶片，但是对于选晶器的设计还仅是凭借经验，对于选晶机理的研究也不充分，同时因选晶失败而造成的叶片报废率还非常高。因此对于选晶器的合理设计已成为制约我国单晶叶片制备的一大障碍，很有必要对选晶过程进行深入的研究，特别是对选晶器几何参数与选晶器的选晶效率和单晶取向之间的关系作进一步的深入研究，对于选晶器的合理设计有着非常大的实际意义。
因此，基于上述问题，本发明提供一种Z型选晶器。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种Z型选晶器，其能够为进一步研究选晶机理找到一个突破点，结合现有的3D打印技术，为提高我国镍基单晶高温合金涡轮叶片产率，开展选晶法制备镍基单晶高温合金的研究提供宝贵的参考价值。
技术方案：本发明提供一种Z型选晶器，由支撑块，及设置在支撑块上的支撑柱，及设置在支撑柱端部的定位圈，及均匀设置在支撑块上的若干个起晶端，及与若干个起晶端相配合使用的若干个约束段，及与若干个约束段相配合使用的若干个选晶段，及与若干个选晶段相配合使用的与若干个过渡段组成，其中，若干个过渡段的一端分别与定位圈连接；所述支撑块、定位圈、支撑柱、若干个起晶端、若干个约束段、若干个选晶段和若干个过渡段之间均通过空腔连接，其中，支撑块设置为圆锥形结构，定位圈设置为圆形结构且之间大于支撑块。
本技术方案的，所述与支撑块、定位圈相配合使用的若干个起晶端、若干个约束段、若干个选晶段、若干个过渡段分别设置为10个。
本技术方案的，所述选晶段设置为Z型结构且直径尺寸依次增加。
本技术方案的，所述若干个Z型选晶段的起升角度依次设置为10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度。
本技术方案的，所述Z型结构选晶段的直径为2mm-6mm。
本技术方案的，所述过渡段的高度为20mm-35mm。
与现有技术相比，本发明的一种Z型选晶器的有益效果在于：1、晶粒选晶段中成长的过程中可减小发生杂晶的几率，选晶段采用合适尺寸的直径，既保证选晶效率，又保证选晶段的强度，保证晶粒的顺利成型，选晶段采用了合理的起升角度，可以保证晶粒顺利成长的同时，也可以保证选晶段高度不会过高，从而提高了工作效率；2、10个相配合使用的起晶端、约束段、选晶段和过渡段且尺寸不同，提高了选晶器的制作效率且减小发生杂晶的几率，显著提高选晶效率。
附图说明
图1是本发明的一种Z型选晶器的结构示意图；
其中，图中序号标注如下：1-支撑块、2-定位圈、3-支撑柱、4-起晶端、5-约束段、6-选晶段、7-过渡段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示的一种Z型选晶器，由支撑块1，及设置在支撑块1上的支撑柱3，及设置在支撑柱3端部的定位圈2，及均匀设置在支撑块1上的若干个起晶端4，及与若干个起晶端4相配合使用的若干个约束段5，及与若干个约束段5相配合使用的若干个选晶段6，及与若干个选晶段6相配合使用的与若干个过渡段7组成，其中，若干个过渡段7的一端分别与定位圈2连接；所述支撑块1、定位圈2、支撑柱3、若干个起晶端4、若干个约束段5、若干个选晶段6和若干个过渡段7之间均通过空腔连接，其中，支撑块1设置为圆锥形结构，定位圈2设置为圆形结构且之间大于支撑块1。
进一步优选的，所述与支撑块1、定位圈2相配合使用的若干个起晶端4、若干个约束段5、若干个选晶段6、若干个过渡段7分别设置为10个；及所述选晶段6设置为Z型结构且直径尺寸依次增加；及所述若干个Z型选晶段6的起升角度依次设置为5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度或10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度；及所述Z型结构选晶段6的直径为2mm-6mm；及所述过渡段7的高度为20mm-35mm，上述结构设计，一方面晶粒选晶段中成长的过程中可减小发生杂晶的几率，选晶段采用合适尺寸的直径，既保证选晶效率，又保证选晶段的强度，保证晶粒的顺利成型，选晶段采用了合理的起升角度，可以保证晶粒顺利成长的同时，也可以保证选晶段高度不会过高，从而提高了工作效率，另一方面10个相配合使用的起晶端、约束段、选晶段和过渡段且尺寸不同，提高了选晶器的制作效率且减小发生杂晶的几率，显著提高选晶效率。
本结构的Z型选晶器，1、采用实验与数值模拟相结合的研究方法，观察了从引晶到选晶过程中 晶粒竞争生长和选择淘汰的过程图谱，并通过对选晶通道内枝晶竞争生长方式的观察，发现在选晶过程中靠近通道内侧的晶粒在竞争生长过程中会 逐渐占据优势，淘汰远离通道内侧的晶粒，并提出了二维通道内枝晶竞争生长模型；2、考察了不同几何参数二维选晶器的选晶效果，建立了选晶器几何参数与晶体取向之间的关系，全面探讨并初步阐明了定向凝固和熔铸参数对选晶效果的影响规律，为选晶器的设计和工业生产中制备取向良好的镍基单晶高温合金提供了技术基础；3、设计了一套系统性研究二维选晶器的设计方案，并利用该型选晶器通过数值模拟方法制备了组织均匀的单晶试样，分析了Z型选晶器模块（共10种不同参数）选晶通道内晶粒组织演化、选晶效率，为新一代选晶器的设计提供了参考；4、对二维选晶器的设计合可可采用整体3D打印的方法得以实验，大大加快了研究进度，同时由于3D打印的精度和模拟的模型精度一致，大大提高了模拟的准确性；5、通过该结构的二维选晶器可同时应用于选晶法结合籽晶法的工业生产中，结合籽晶法可同时应用于单晶制备和单晶二次取向的定向控制，为新一代单晶叶片控制提供了理论指导和实验基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种Z型选晶器，其特征在于：由支撑块（1），及设置在支撑块（1）上的支撑柱（3），及设置在支撑柱（3）端部的定位圈（2），及均匀设置在支撑块（1）上的若干个起晶端（4），及与若干个起晶端（4）相配合使用的若干个约束段（5），及与若干个约束段（5）相配合使用的若干个选晶段（6），及与若干个选晶段（6）相配合使用的与若干个过渡段（7）组成，其中，若干个过渡段（7）的一端分别与定位圈（2）连接；所述支撑块（1）、定位圈（2）、支撑柱（3）、若干个起晶端（4）、若干个约束段（5）、若干个选晶段（6）和若干个过渡段（7）之间均通过空腔连接，其中，支撑块（1）设置为圆锥形结构，定位圈（2）设置为圆形结构且之间大于支撑块（1）。
2.根据权利要求1所述的一种Z型选晶器，其特征在于：所述与支撑块（1）、定位圈（2）相配合使用的若干个起晶端（4）、若干个约束段（5）、若干个选晶段（6）、若干个过渡段（7）分别设置为10个。
3.根据权利要求1或2所述的一种Z型选晶器，其特征在于：所述选晶段（6）设置为Z型结构且直径尺寸依次增加。
4.根据权利要求3所述的一种Z型选晶器，其特征在于：所述若干个Z型选晶段（6）的起升角度依次设置为10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度。
5.根据权利要求3所述的一种Z型选晶器，其特征在于：所述Z型结构选晶段（6）的直径为2mm-6mm。
6.根据权利要求1所述的一种Z型选晶器，其特征在于：所述过渡段（7）的高度为20mm-35mm。
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