CN108097877A - 一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法 - Google Patents

一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108097877A
CN108097877A CN201711064204.1A CN201711064204A CN108097877A CN 108097877 A CN108097877 A CN 108097877A CN 201711064204 A CN201711064204 A CN 201711064204A CN 108097877 A CN108097877 A CN 108097877A
Authority
CN
China
Prior art keywords
blade
inhibit
section
mixed crystal
heat conductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711064204.1A
Other languages
English (en)
Inventor
赵玉涛
费孝顺
梁向锋
张钊
马德新
徐维台
彭发根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Jinghai New Material Technology Co Ltd
Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu Jinghai New Material Technology Co Ltd
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Jinghai New Material Technology Co Ltd, Jiangsu University filed Critical Jiangsu Jinghai New Material Technology Co Ltd
Priority to CN201711064204.1A priority Critical patent/CN108097877A/zh
Publication of CN108097877A publication Critical patent/CN108097877A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B22C9/043—Removing the consumable pattern
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/006—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/52—Alloys

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

本发明涉及高温合金定向凝固，特指一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法。在熔模铸造陶瓷模壳的过程中，将1‑3mm厚的材质为石墨的热导体环植入模壳之中叶片变截面处。实际使用表明，应用本技术可以非常有效的改善铸件内外侧热温条件的严重不均现象，从而使杂晶生成几率大大减小并且使变截面各处枝晶粗细更加均匀，使铸件的单晶合格率及高温力学性能大大提高。

Description

一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法
技术领域
本发明涉及高温合金定向凝固技术领域，特指一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法。
背景技术
单晶叶片制造的关键是避免杂晶缺陷的产生，保证单晶组织的完整性。在叶片的叶身部分，形状比较简单,可认为凝固过程基本是一维即垂直向上的。但是在缘板部位,铸件横截面会突然出现大幅度的扩张。此处的单晶生长,呈现出复杂的三维生长模式.缘板的横向枝晶先沿着最冷的外边缘生长,再从四周向中间的叶身部位扩展,最后与叶身长出的纵向枝晶汇合。缘板与叶身的转接区由于散热条件最差成为热障区,成为缘板平面上最后凝固的部位。在这个复杂的三维枝晶生长过程中,经常出现凝固界面前沿的液体为过冷状态、温度梯度为负的状况,极易产生杂晶等缺陷。另外，叶片朝内的一侧(简称阴面)，在定向凝固炉中因背对加热器不能直接辐射受热，使环状排列模壳的中心形成温度较低的筒形阴影区。特别是当模壳下降到接近炉腔底部时，由于阴影区内没有挡热板，热量散失加快且得不到加热器的有效补充,使得本来就偏低的阴影区温度变得比阳面更低。而降到了冷却区后由于背对冷却器不能很好冷却，原来的阴影区变成了相对封闭的缓冷区，因而冷速和温度梯度明显偏低,结果是形成凹形的凝固界面和很宽的糊状区，凝固条件非常恶劣，以至于铸造缺陷如杂晶基本都产生在铸件在阴影区一侧的变截面处。对现已公布的专利检索发现，中国专利文献号CN101537484记载了一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法，通过在型壳热障区植入热导体块，向外部传热从而改善定向单晶铸件凝固过程中的温度分布，大大减少了杂晶的生成几率，但是其将导热体的一端暴露在空气中，在模壳的焙烧过程中极可能出现挥发的情况，导致浇铸时漏液的危险。并且导热体的尺寸选择难以确定，导热体过大反而会促进杂晶的产生。中国专利文献号CN105436478A记载了一种在变截面处增加一层保温模壳控制温度梯度从而抑制杂晶缺陷形成的方法，通过在变截面拐角处使用双层模壳,延缓该处热量散失和冷却速率，该处的径向散热受到抑制，则径向温度梯度减小，抑制杂晶形成的效果显著，但是其延缓了叶片的散热，易导致叶片变截面处枝晶粗大，影响整个叶片的高温持久性能。目前抑制变截面处杂晶形成的方法并不理想。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够有效抑制单晶叶片杂晶形成的方法。
该方法的具体步骤是：
1、根据具体叶片变截面结构及尺寸，制备热导体环。
2、叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后，将热导体环粘贴在叶片变截面处。
3、干燥后，对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂，使热导体环埋于型壳变截面位置。
4、型壳干燥后进行脱蜡烧结。
步骤1中所述的热导体环的材料为石墨，厚度为1-3mm；其形状为叶片变截面除去与叶身接触区域后的环状。其横截面尺寸与叶片变截面尺寸误差控制在1-3mm。该热导体可通过手工制作或数控车床使用现有技术精细加工制备，如图2(a)黑色区域。
步骤2中所述的热导体环具体粘贴方法为：将热导体环浸入粘度为20-50s的浆料中，取出后贴在经粘度为15-30s的浆料润湿后的叶片变截面处的上部或下部，静置干燥15-60min。其中浆料指淋浆挂砂过程中用到的浆料，例如电熔刚玉粉或锆粉与硅溶胶配置的浆料，通过调整粉液比得到需求的黏度。
步骤3中所述的叶片蜡模表面型壳层数为4～10层，每层淋浆挂砂后干燥4-8小时，最后对型壳进行封浆处理。
步骤4中所述的脱蜡方法为高压蒸汽法，温度为150-200℃，压力为0.5-0.8MPa；焙烧温度为1100-1400℃，焙烧时间控制在1-3小时。焙烧完成后采用随炉冷却。焙烧方法为：首先，型壳在400-600℃下焙烧(烧残蜡)，时间为30-60min。然后，高温焙烧，温度为1000-1400℃，时间控制在1-3个小时。可直接高温焙烧，也可在真空条件下，或者在密闭的烧结炉中放置石墨碎块后焙烧，焙烧完成后随炉冷却。
本发明的优点为：通过植入热导体环，应用热导体的导热性能均衡阴面和阳面的热量，改善变截面处的组织。与现有技术相比，一方面，从应用实施角度考虑，本发明设计简单易行，无需改变原有定向凝固设备，通过热导体环均衡阴面和阳面的热量，可有效地调节和优化单晶铸件凝固过程中变截面处的温度分布，保证单晶的顺利生长和扩展。另一方面，从凝固组织角度考虑，本发明设计克服了传统抑制单晶叶片杂晶形成的方法实施难度大，操作不当的情况下会在铸件上留下其他缺陷甚至促进杂晶产生的缺点，也避免了增加模壳厚度导致叶片高温持久性能下降的问题。本发明将热导体环整个包在模壳内部，通过利用阴影效应达到均衡热量的目的，从而杜绝了传统热导体向外散热过快促进杂晶产生的可能。并且也继承了传统热导体优化组织的优点。
附图说明
图1阴影效应示意图。
图2热导体环及其安装过程。
(a)根据变截面具体结构与尺寸制作的热导体环。
(b)叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后将热导体环粘贴在叶片变截面处。
(c)对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂使热导体环埋于型壳变截面位置。
图3应用本项技术前后铸件。
(a)未植入热导体环的铸件表面(b)植入热导体环后的铸件表。
具体实施方式
实施例：
将本发明技术应用于单晶叶片铸造，叶片总长度为220mm，宽度为30mm，材质为第二代镍基高温合金DD5，变截面为长36mm，宽23mm的矩形；根据其叶片变截面结构及尺寸，制备了3mm厚，长38mm，宽24mm的石墨热导体矩形环；使用325目电熔刚玉粉和硅溶胶配制浆料，叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后，将热导体环浸入粘度为35s的浆料中，取出后贴在经浆料润湿后的叶片变截面处的上部或下部，静置干燥；其中叶片润湿浆料粘度为15s，干燥时间为30min；干燥后，对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂，使热导体环埋于型壳变截面位置，型壳淋浆挂砂总层数为9层，每层淋浆挂砂后干燥6小时，最后对型壳进行封浆处理；型壳干燥后进行脱蜡烧结，脱蜡方法为高压蒸汽法，温度为170℃，压力为0.8MPa；焙烧方法为：首先，型壳在400℃下(烧残蜡)，时间为30min。然后，在真空条件下高温焙烧，温度为1400℃，时间控制在2个小时。焙烧完成后随炉冷却。型壳制作完成后，在定向凝固炉中加热到预热温度1550℃进行浇铸。
附图3为未植入热导体环所得铸件(a)与植入热导体环后所得铸件(b)之间的对比。可以明显地看到从变截面处开始未植入热导体环的铸件出现杂晶，且杂晶的位置正是在阴影效应区。而采用了本项技术后，所得铸件解决了这一缺陷。

Claims (7)

1.一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
(1)根据具体叶片变截面结构及尺寸，制备热导体环；
(2)叶片蜡模在淋浆挂砂至第二层后，将热导体环粘贴在叶片变截面处；
(3)干燥后，对叶片蜡模继续进行淋浆挂砂，使热导体环埋于型壳变截面位置；
(4)型壳干燥后进行脱蜡烧结。
2.如权利要求1所述的一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的热导体环的材料为石墨，厚度为1-3mm；其形状为叶片变截面除去与叶身接触区域后的环状；其横截面尺寸与叶片变截面尺寸误差控制在1-3mm。
3.如权利要求1所述的一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的热导体环具体粘贴方法为：将热导体环浸入粘度为20-50s的浆料中，取出后贴在经粘度为15-30s的浆料润湿后的叶片变截面处的上部或下部，静置干燥15-60min。
4.如权利要求3所述的一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，浆料指淋浆挂砂过程中用到的浆料，是采用电熔刚玉粉或锆粉与硅溶胶配置的浆料，通过调整粉液比得到需求的黏度。
5.如权利要求1所述的一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的叶片蜡模表面型壳层数为4～10层，每层淋浆挂砂后干燥4-8小时，最后对型壳进行封浆处理。
6.如权利要求1所述的一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的脱蜡方法为高压蒸汽法，温度为150-200℃，压力为0.5-0.8MPa；焙烧温度为1100-1400℃，焙烧时间控制在1-3小时，焙烧完成后采用随炉冷却。
7.如权利要求6所述的一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，焙烧方法为：首先，型壳在400-600℃下焙烧(烧残蜡)，时间为30-60min；然后，高温焙烧，温度为1000-1400℃，时间控制在1-3个小时；可直接高温焙烧，也可在真空条件下，或者在密闭的烧结炉中放置石墨碎块后焙烧，焙烧完成后随炉冷却。
CN201711064204.1A 2017-11-02 2017-11-02 一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法 Pending CN108097877A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711064204.1A CN108097877A (zh) 2017-11-02 2017-11-02 一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711064204.1A CN108097877A (zh) 2017-11-02 2017-11-02 一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108097877A true CN108097877A (zh) 2018-06-01

Family

ID=62207516

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711064204.1A Pending CN108097877A (zh) 2017-11-02 2017-11-02 一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108097877A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113798475A (zh) * 2021-08-02 2021-12-17 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101537484A (zh) * 2009-03-17 2009-09-23 江苏大学 一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法
CN102166643A (zh) * 2011-03-30 2011-08-31 江苏中欧材料研究院有限公司 一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
CN103192063A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型及其定向凝固装置
CN104259442A (zh) * 2014-09-29 2015-01-07 江苏大学 一种防止单晶叶片产生杂晶缺陷的方法
CN104690256A (zh) * 2015-02-11 2015-06-10 西北工业大学 控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法
CN105108061A (zh) * 2015-09-30 2015-12-02 东方电气集团东方汽轮机有限公司 消除单晶叶片中杂晶缺陷的方法
CN105436478A (zh) * 2015-12-30 2016-03-30 上海大学 控制变截面处杂晶形成的方法
CN106563773A (zh) * 2016-10-19 2017-04-19 江苏大学 一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
CN106734907A (zh) * 2016-11-25 2017-05-31 中航动力股份有限公司 一种定向凝固柱晶及单晶叶片铸造方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101537484A (zh) * 2009-03-17 2009-09-23 江苏大学 一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法
CN102166643A (zh) * 2011-03-30 2011-08-31 江苏中欧材料研究院有限公司 一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
CN103192063A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型及其定向凝固装置
CN104259442A (zh) * 2014-09-29 2015-01-07 江苏大学 一种防止单晶叶片产生杂晶缺陷的方法
CN104690256A (zh) * 2015-02-11 2015-06-10 西北工业大学 控制镍基高温合金台阶状铸件杂晶缺陷的定向凝固方法
CN105108061A (zh) * 2015-09-30 2015-12-02 东方电气集团东方汽轮机有限公司 消除单晶叶片中杂晶缺陷的方法
CN105436478A (zh) * 2015-12-30 2016-03-30 上海大学 控制变截面处杂晶形成的方法
CN106563773A (zh) * 2016-10-19 2017-04-19 江苏大学 一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
CN106734907A (zh) * 2016-11-25 2017-05-31 中航动力股份有限公司 一种定向凝固柱晶及单晶叶片铸造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113798475A (zh) * 2021-08-02 2021-12-17 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法
CN113798475B (zh) * 2021-08-02 2023-02-21 东方电气集团东方汽轮机有限公司 一种提高定向凝固试棒温度梯度的装置及制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101537484B (zh) 一种改善单晶铸件凝固过程中温度分布的方法
CN102166643B (zh) 一种防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
CN107745093B (zh) 一种精铸模组及利用其制备可精控晶体取向的镍基单晶导叶的铸造方法
CN103192063B (zh) 一种用于高温合金单晶叶片制造的铸型及其定向凝固装置
CN105442037A (zh) 一种高速单晶生长装置
CN104259442B (zh) 一种防止单晶叶片产生杂晶缺陷的方法
CN104661775A (zh) 具有热罩的壳体模具
CN103252448A (zh) 一种用于单晶叶片制造的薄壁高强度模壳制备方法
CN106563773A (zh) 一种基于激光加热技术防止单晶叶片杂晶缺陷的方法
CN107385513B (zh) 一种定向凝固炉用中心加热和中央冷却装置
CN105583366A (zh) 一种薄壁高温合金浮动壁瓦片的精密铸造方法
CN108097877A (zh) 一种用于抑制单晶叶片杂晶缺陷形成的方法
CN104404615B (zh) 一种锑化镓单晶生长的平面结晶界面控制结构及使用方法
US3754592A (en) Method for producing directionally solidified cast alloy articles
US4862947A (en) Method of casting an article
US3598172A (en) Process of casting with downward-unidirectional solidification
CN104439077A (zh) 高温合金单晶透平叶片成型用蜡树结构
CN107138727A (zh) 一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法
CN113458366A (zh) 一种反重力效应单晶高温合金定向凝固生长设备及其应用
CN104846431A (zh) 一种大尺寸氧化铝-钇铝石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼法制备法
CN103894546B (zh) 端部凹凸复杂铸件的精密铸造方法
CN105314971B (zh) 一种脉冲放电等离子体辅助熔凝处理制备氧化铝基三元共晶自生复合陶瓷的方法
CN104647586B (zh) 一种复杂结构单晶空心叶片用复合陶瓷型芯的制备方法
US3981346A (en) Method and apparatus for directional solidification
CN104962993A (zh) 一种大尺寸镁铝尖晶石-钇铝石榴石共晶陶瓷的垂直布里奇曼制备法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20180601

RJ01 Rejection of invention patent application after publication