CN109317616A - 三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法 - Google Patents

三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法，包括单晶试棒方案设计、制蜡、蜡模组树、制壳、熔炼、制备单晶高温合金籽晶、单晶高温合金籽晶的重复使用。通过此方法制备的籽晶成功率高、三维晶体取向可控、且取向控制精准，因取向偏离而造成的报废率可大幅度降低。

Description

三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法
技术领域
本发明涉及单晶高温合金精密铸造技术领域，具体说涉及一种三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法。
背景技术
飞机用航空发动机是目前最为复杂、设计、制造难度最大的工业机械，被称为“工业皇冠”，单晶高压涡轮动力叶片是航空发动机中服役条件最为苛刻的铸件，制备难度最大，因而被称为是“皇冠上的明珠”。但单晶零件具有明显的各向异性，当晶体的一次晶体取向与叶片的主应力方向一致时，性能最好，因而一般要求铸件受应力方向与其<001>方向的夹角不能大于15°，同时晶体的二次晶体取向对铸件的性能也有明显的影响，同样需要精确控制。因此在制作单晶高温合金铸件过程中必须严格控制一次和二次晶体取向，当一次和二次晶体取向超出客户规定基准轴一定角度时，将造成报废。目前国内生产单位的单晶铸件都应用选晶法生产，因一次晶体取向偏离造成的报废率在8％到20％之间，而二次晶体取向更是无法控制。籽晶法可有效解决这一问题，但切割困难无法适用于大批量生产的需求。
本发明中提出的单晶高温合金叶片用籽晶的制备方法可有效的解决这一问题，制备出晶粒完整和晶体取向均满足要求的铸件，同时可以大大的节约籽晶制备的成本，将一次枝晶、二次枝晶取向偏离造成的报废率总和降低至5％以下。
发明内容
为了克服现有不能准确定位定向切割籽晶的不足，本发明提出了一种三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法，该切割方法有效保证晶体取向，操作简单方便、工作效率高，同时大大提高了零件的铸造合格率，节约了生产成本。
为了实现上述方案，本发明的技术解决方案包含如下步骤：
三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法，包括以下步骤：
(1)单晶试棒方案设计
制作一套精铸模组，该模组由试棒、选晶器、浇口杯、浇注系统和底盘五部分组成；
(2)制蜡
将蜡料温度控制在60-120℃，注蜡压力0.3-20MPa的条件下注入单晶试棒和浇道模具中，以获得零件蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模、浇道蜡模等；
(3)蜡模组树
将零件、浇道、浇口杯、选晶器和底板按设计方案进行组合；
(4)制壳
在蜡模模组表面涂挂5-15mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下进行蒸汽脱蜡，在600-900℃下焙烧1-3个小时后获得单晶定向精密铸造型壳；
(5)熔炼
将上述单晶定向精密铸造型壳放入定向凝固炉中，设置模壳保温温度参数：1450-1550℃，待升温后将母合金锭重熔，在钢水温度达到1450-1550℃时注入模壳中，浇注后静置3-10s后进行抽拉，抽拉速度控制在3-8mm/min，拉晶结束后，随炉冷却4-8分钟后取出，即可获得所需的单晶试棒的毛坯；
(6)制备单晶高温合金籽晶
6.1从熔炼浇注的单晶试棒的毛坯，切去冒口及选晶段，留下中部圆棒，制备成直径为15mm的试棒；
6.2应用劳厄法找出001方向偏离Z轴方向(Z轴方向为试棒轴向方向)的角度θ，001方向即为与Z轴方向有角度θ的方向；
6.3应用籽晶切割工装固定，调整工装的横向转动装置和纵向转动装置，校正一次枝晶取向，再用线切割切取轴向平行于001取向的直径11±1mm，高25±1mm的试棒；
6.4将切取后的试棒A放在工装中确定二次枝晶方向，先定位基准点，把基准点与试棒圆心连线作为测量基准方向(如果检测方法为背反射劳厄法，该方向即为X射线入射方向)；应用背反射劳厄法找出100方向偏离X方向入射方向的角度Ψ，所述100方向为偏离X方向角度为Ψ的方向，再调节工装横向转动装置校准二次枝晶取向；
6.5将切取的试棒A沿垂直于100方向的平面距离试棒圆心4mm切割，形成籽晶定位基准，切好的籽晶表面抛光，粗糙度小于3.2μm后，进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放，备用；
(7)单晶高温合金籽晶的重复使用
用以上方法制备的籽晶完成单晶铸件的铸造后，经晶粒、劳厄、X光检测即可。
所述的籽晶切割工装，具体包括：
横向转动装置、角度尺、角度尺、纵向转动装置、横向转动装置、角度尺、锁紧装置。
步骤(7)中所述的取向检测具体为符合要求的籽晶进入下一步工序，否则报废，检测合格后的籽晶表面抛光，达到粗糙度不低于3.2μm进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放。
本发明所产生的有益效果为：
本发明采用的籽晶制备方法，具有取向精确，晶粒完整性良好，无大角度晶界、杂晶、碎晶、等轴晶等晶粒缺陷存在。
本发明具有操作方便，生产效率高的特点，可适合单晶产品大批量生产时使用。
采用该方法可有效提高零件的力学性能，使用寿命长久，减少零件的铸造废品率。
本发明中籽晶的重复使用，可以大大的节约单晶的生产成本。
附图说明
图1是本发明单晶试棒蜡模组树系统示意图；
图2是本发明冒口及选晶段切割示意图；
图3本发明籽晶切割工装示意图；
图4是本发明一次枝晶取向示意图；
图5是本发明二次枝晶取向示意图；
图6是本发明籽晶定位基准示意图；
图7是本发明起晶段A和起晶段B籽晶回收使用位置示意图；
图8是本发明起晶段A和起晶段B籽晶回收使用切割示意图；
具体实施方式
1.单晶试棒方案设计
试棒设计方案如图1制作一套精铸模组，该模组由试棒4、选晶器5、浇口杯2、浇注系统1和底盘3五部分组成。
2.制蜡
将蜡料温度控制在60℃，注蜡压力0.3MPa的条件下注入单晶试棒和浇道模具中，以获得零件蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模、浇道蜡模等。
3.蜡模组树
将零件、浇道、浇口杯、选晶器和底板按设计方案进行组合。
4.制壳
在蜡模模组表面涂挂5mm厚的精密铸造模壳，然后在120℃下进行蒸汽脱蜡，在600℃下焙烧1个小时后获得单晶定向精密铸造型壳。
5.熔炼
将上述制的陶瓷型模壳放入定向凝固炉中，设置模壳保温温度参数：1450℃，待升温后将母合金锭重熔，在钢水温度达到1450℃时注入模壳中。浇注后静置3s后进行抽拉，抽拉速度控制在3mm/min，拉晶结束后，随炉冷却4分钟后取出，即可获得所需的单晶试棒的毛坯。
6.制备单晶高温合金籽晶
6.1从熔炼浇注的单晶试棒的毛坯，切去冒口1及选晶段2，留下中部圆棒3，制备成直径为15mm的试棒，如图2。
6.2应用劳厄法找出<001>方向偏离Z轴方向(Z轴方向为试棒轴向方向)的角度θ。
6.3应用图3籽晶切割工装固定(以下简称图3)，调整工装的横向转动装置1和纵向转动装置4，校正一次枝晶取向，再用线切割切取轴向平行于<001>取向的直径11±1mm，高25±1mm的试棒A，如图4。
6.4将切取后的试棒A放在图3工装中确定二次枝晶方向，先定位基准点X，把X点与试棒圆心连线作为测量基准方向(如果检测方法为背反射劳厄法，该方向即为X射线入射方向)。应用背反射劳厄法找出<100>或<010>方向偏离X方向入射方向的角度Ψ，如图5。再调节图3工装横向转动装置5校准二次枝晶取向。
6.5将切取的试棒A沿垂直于<100>或<010>方向的平面距离试棒圆心4mm切割，形成籽晶定位基准B。如图6。切好的籽晶表面抛光，粗糙度＜3.2μm后，进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放，备用。
7.单晶高温合金籽晶的重复使用
用以上方法制备的籽晶完成单晶铸件的铸造后，经晶粒、劳厄、X光检测合格的起晶段A和起晶段B可回收使用。起晶段A的位置如图7中a所示，起晶段B的位置如图7中b所示。将起晶段A及起晶段B延如图8所示尺寸切去多余部分1、3、4、6，保留籽晶段2、5。切割完成后进行晶粒检测、X光、取向检测，符合表1-3要求的籽晶进入下一步工序，否则报废。
检测合格后的籽晶表面抛光，达到粗糙度不低于3.2μm进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放，备用。
实施例2
1.单晶试棒方案设计
试棒设计方案如图1制作一套精铸模组，该模组由试棒部分4、选晶器5、浇口杯2、浇注系统1和底盘3五部分组成。
2.制蜡
将蜡料温度控制在120℃，注蜡压力20MPa的条件下注入单晶试棒和浇道模具中，以获得零件蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模、浇道蜡模、和选晶器蜡模。
3.蜡模组树
将零件蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模、浇道蜡模和选晶器蜡模按设计方案进行组合。
4.制壳
在蜡模模组表面涂挂15mm厚的精密铸造模壳，然后在200℃下进行蒸汽脱蜡，在900℃下焙烧3个小时后获得单晶定向精密铸造型壳。
5.熔炼
将上述制的陶瓷型模壳放入定向凝固炉中，设置模壳保温温度参数：1550℃，待升温后将母合金锭重熔，在钢水温度达到1550℃时注入模壳中。浇注后静置10s后进行抽拉，抽拉速度控制在8mm/min，拉晶结束后，随炉冷却4-8分钟后取出，即可获得所需的单晶试棒的毛坯。
6.制备单晶高温合金籽晶
6.1从熔炼浇注的单晶试棒的毛坯，切去冒口6及选晶段7，留下中部圆棒8，制备成直径为15mm的试棒，如图2。
6.2应用劳厄法找出<001>方向偏离Z轴方向(Z轴方向为试棒轴向方向)的角度θ。
6.3应用图3籽晶切割工装固定(以下简称图3)，调整工装的横向转动装置9和纵向转动装置10，校正一次枝晶取向，再用线切割切取轴向平行于<001>取向的直径11±1mm，高25±1mm的试棒A，如图4。
6.4将切取后的试棒A放在图3工装中确定二次枝晶方向，先定位基准点X，把X点与试棒圆心连线作为测量基准方向(如果检测方法为背反射劳厄法，该方向即为X射线入射方向)。应用背反射劳厄法找出<100>或<010>方向偏离X方向入射方向的角度Ψ，如图5。再调节图3工装横向转动装置11校准二次枝晶取向。
6.5将切取的试棒A沿垂直于<100>或<010>方向的平面距离试棒圆心4mm切割，形成籽晶定位基准B。如图6。切好的籽晶表面抛光，粗糙度＜3.2μm后，进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放，备用。
7.单晶高温合金籽晶的重复使用
用以上方法制备的籽晶完成单晶铸件的铸造后，经晶粒、劳厄、X光检测合格的起晶段A和起晶段B可回收使用。起晶段A和起晶段B的位置如图7。将起晶段A及起晶段B延如图8所示尺寸切去多余部分12、14、15、17，保留籽晶段13、16。切割完成后进行晶粒检测、X光、取向检测，符合表1-3要求的籽晶进入下一步工序，否则报废。
检测合格后的籽晶表面抛光，达到粗糙度不低于3.2μm进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放，备用。
附表1晶粒检测要求
附表2 X光检测要求
附表3取向检测要求
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)单晶试棒方案设计
制作一套精铸模组，该模组由试棒、选晶器、浇口杯、浇注系统和底盘五部分组成；
(2)制蜡
将蜡料温度控制在60-120℃，注蜡压力0.3-20MPa的条件下注入单晶试棒和浇道模具中，以获得零件蜡模、浇口杯蜡模、底板蜡模、浇道蜡模等；
(3)蜡模组树
将零件、浇道、浇口杯、选晶器和底板按设计方案进行组合；
(4)制壳
在蜡模模组表面涂挂5-15mm厚的精密铸造模壳，然后在120-200℃下进行蒸汽脱蜡，在600-900℃下焙烧1-3个小时后获得单晶定向精密铸造型壳；
(5)熔炼
将上述单晶定向精密铸造型壳放入定向凝固炉中，设置模壳保温温度参数：1450-1550℃，待升温后将母合金锭重熔，在钢水温度达到1450-1550℃时注入模壳中，浇注后静置3-10s后进行抽拉，抽拉速度控制在3-8mm/min，拉晶结束后，随炉冷却4-8分钟后取出，即可获得所需的单晶试棒的毛坯；
(6)制备单晶高温合金籽晶
6.1从熔炼浇注的单晶试棒的毛坯，切去冒口及选晶段，留下中部圆棒，制备成直径为15mm的试棒；
6.2应用劳厄法找出001方向偏离Z轴方向(Z轴方向为试棒轴向方向)的角度θ，001方向即为与Z轴方向有角度θ的方向；
6.3应用籽晶切割工装固定，调整工装的横向转动装置和纵向转动装置，校正一次枝晶取向，再用线切割切取轴向平行于001取向的直径11±1mm，高25±1mm的试棒；
6.4将切取后的试棒放在工装中确定二次枝晶方向，先定位基准点，把基准点与试棒圆心连线作为测量基准方向(如果检测方法为背反射劳厄法，该方向即为X射线入射方向)；应用背反射劳厄法找出100方向偏离X方向入射方向的角度Ψ，所述100方向为偏离X方向角度为Ψ的方向，再调节工装横向转动装置校准二次枝晶取向；
6.5将切取的试棒沿垂直于100方向的平面距离试棒圆心4mm切割，形成籽晶定位基准，切好的籽晶表面抛光，粗糙度小于3.2μm后，进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放，备用；
(7)单晶高温合金籽晶的重复使用
用以上方法制备的籽晶完成单晶铸件的铸造后，经晶粒、劳厄、X光检测即可。
2.根据权利要求1所述的三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法，其特征在于，所述的籽晶切割工装，具体包括：
横向转动装置、角度尺、角度尺、纵向转动装置、横向转动装置、角度尺、锁紧装置。
3.根据权利要求1所述的三维取向可精控的高温合金单晶叶片用籽晶的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述的取向检测具体为符合要求的籽晶进入下一步工序，否则报废，检测合格后的籽晶表面抛光，达到粗糙度不低于3.2μm进行清洗去除油污、粘附、氧化皮等，在干燥皿或在酒精溶液中存放。
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