CN109321967A - 一种晶体位向控制器材及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶体位向控制器材及方法，属于单晶体位向控制技术领域，解决了现有技术中的选晶器水平方向上没有晶体位向控制措施，无法实现在叶片轴向、叶片的叶背和排气边的结晶位向均是最佳力学性能方向的问题。本发明的晶体位向控制器材为具有直角形状的选晶器，该直角选晶器包括上升段和水平段，上升段与水平段垂直且连通，金属液体注入中空型腔内。一种晶体位向控制方法，采用本发明的晶体位向控制器材控制单晶体的生长过程，包括第一上升段的生长、第一水平段的生长、第二水平段的生长和第二上升段的生长。本发明的控制器材和控制方法简单，便于工业上大量采用。

Description

一种晶体位向控制器材及方法

技术领域

本发明涉及单晶体位向控制技术领域，尤其涉及一种晶体位向控制器材及方法。

背景技术

近年来随着燃气轮机制造业的发展，多联单晶叶片的需求越来越多。单晶叶片的使用可以大大提高燃气轮机的工作效率；多联单晶叶片的使用可以有效地降低燃气轮机的制造成本。

目前单晶叶片的单晶体的生长过程都是由螺旋选晶器的单晶生长来完成的。现有的螺旋选晶器虽然能够保证单晶体在向上方向上是最佳位向，即〈001〉位向，但是由于在水平方向上没有晶体位向控制措施，所以由两个螺旋选晶器向上长成的两个单晶之间存在一条晶界，如图22所示。

单晶叶片不仅要求在叶片轴向的结晶位向是最佳力学性能方向，而且要求在叶片的叶背和排气边的结晶位向也是最佳力学性能方向，目前在工业生产中是无法实现的。而铸造连体的多联单晶叶片，目前实验室阶段都无法做到让它们的叶背和排气边的结晶位向全部保证是最佳力学性能方向，工业生产中更无法实现。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种晶体位向控制器材及方法，用以解决现有选晶器水平方向上没有晶体位向控制措施，无法实现在叶片轴向、叶片的叶背和排气边的结晶位向均是最佳力学性能方向的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明公开了一种晶体位向控制器材，所述晶体位向控制器材具有中空型腔，所述晶体位向控制器材为具有直角形状的选晶器；

所述直角选晶器包括上升段和水平段，所述上升段与所述水平段垂直设置且连通，金属液体注入中空型腔内。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述上升段包括沿竖直方向设置的第一上升段和第二上升段，所述水平段包括沿水平方向设置的第一水平段和第二水平段；

所述第一上升段、所述第一水平段、所述第二水平段和所述第二上升段依次连接；所述第一水平段与所述第二水平段垂直设置，所述第一上升段与所述第二上升段平行设置。

进一步，所述直角选晶器的数量为一个或多个。

进一步，所述晶体位向控制器材还包括过渡段；所述过渡段与所述直角选晶器上端部连通，金属液体从所述过渡段的上端注入，流入所述一个或多个直角选晶器内。

进一步，所述第一上升段的长度为30～70mm，所述第一水平段的长度为30～70mm，所述第二水平段的长度为30～70mm，所述第二上升段的长度为20～60mm。

进一步，所述直角选晶器的材质为镍基合金。

进一步，所述镍基合金的成分及质量百分含量为：镍、50％，铬、20％，铝、5％，钛、2％，钼、8％，钨、15％。

另一方面，本发明还公开了一种晶体位向控制方法，使用上述晶体位向控制器材控制单晶体的生长过程，单晶体的生长过程如下：

(1)第一上升段的凝固生长过程；

(2)第一水平段的凝固生长过程；

(3)第二水平段的凝固生长过程；

(4)第二上升段的凝固生长过程。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述过程(1)中，金属液体以柱状晶生长方式向上生长淘汰向上的非〈001〉位向的柱状晶；所述过程(2)中，晶体以板片状晶方式水平生长淘汰此水平方向的非〈001〉位向的板片状晶。

进一步，所述过程(3)中，所述过程(2)中的已经是〈001〉位向的板片状晶的其中一个板片在与其垂直的另一个水平方向上生长成为整体的〈001〉位向的长方体；所述过程(4)连接扩大生长的过渡段，通过过渡段完成过程(4)与单晶体产品生长过程的连接。

本发明有益效果如下：

(1)本发明的直角选晶器，通过设置上升段和水平段，并且使二者相互连通且垂直设置，使得使用本发明的选晶器控制生长的单晶叶片不仅能够保证叶片轴向的结晶位向是最佳力学性能方向，而且能够保证在叶片的叶背和排气边的结晶位向也是最佳力学性能方向。

(2)本发明通过设置两段上升段和两段水平段，并且通过控制两段上升段与两段水平段的设置方向、设置位置和连接关系，使得不是〈001〉位向的晶体被淘汰，保留的晶体全部是〈001〉位向，并且使得所结晶的固体整体在立方系直角坐标系的三个方向上均是〈001〉位向的单晶，即晶体整体在立方系直角坐标系的三个方向上均具有最佳力学性能。

(3)由于使用本发明的晶体位向控制器材所得到的单晶在立方系直角坐标系的三个方向上均具有最佳力学性能，所以本发明得到的单晶叶片力学性能好、强度高，耐疲劳性强，使用寿命长。

(4)由于本发明的选晶器在水平方向上具有晶体位向控制措施，所以由多重直角选晶器向上生长得到的多个单晶之间不存在晶界。

(5)使用本发明的晶体位向控制器材生长的单联单晶叶片和多联单晶叶片综合性能优异。单联单晶叶片可以大幅提高燃气轮机的工作效率，多联单晶叶片可以有效降低燃气轮机的制造成本。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例直角选晶器的主视图；

图2为本发明实施例直角选晶器的左视图；

图3为本发明实施例直角选晶器的俯视图；

图4为本发明实施例第一上升段凝固生长过程的主视图；

图5为本发明实施例第一上升段凝固生长过程的俯视图；

图6为本发明实施例第一水平段凝固生长过程的主视图；

图7为本发明实施例第一水平段凝固生长过程的俯视图；

图8为本发明实施例第二水平段凝固生长过程的主视图；

图9为本发明实施例第二水平段凝固生长过程的俯视图；

图10为本发明实施例第二上升段凝固生长过程的主视图；

图11为本发明实施例第二上升段凝固生长过程的俯视图；

图12为本发明实施例第一上升段的晶体实际生长状态的主视图；

图13为图12的俯视图；

图14为本发明实施例第一水平段的晶体实际生长状态的主视图；

图15为图14的俯视图；

图16为本发明实施例第二水平段的晶体实际生长状态的主视图；

图17为图16的俯视图；

图18为本发明实施例第二上升段的晶体实际生长状态的主视图；

图19为图18的俯视图；

图20为本发明实施例一个直角选晶器的三维立体图；

图21为本发明实施例两个直角选晶器的三维立体图；

图22为使用现有技术的螺旋选晶器生长成的晶体。

附图标记：

A-第一上升段；B-第一水平段；C-第二水平段；D-第二上升段；E-过渡段。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

现有的螺旋选晶器的下端部是称之为起始段的圆柱形型腔，金属液体最初在这个圆柱形型腔里从下向上生长，在生长过程中由于镍基合金是立方系晶格，立方系晶格在三维空间直角坐标系中〈xyz〉的三个互为垂直的方向上都是〈001〉晶体学位向。而镍基合金的立方系晶格的面心立方奥氏体的〈001〉晶体学位向是最优势的生长方向，它生长最快，其它的晶体学位向例如：〈011〉、〈111〉、〈112〉等，都比它生长慢，所以生长到一定高度之后就被淘汰了，此时液体的结晶是多个以该圆柱轴向为〈001〉晶体学位向的柱状晶生长方式生长到达起始段的圆柱形型腔的末端的，而此末端连接的是被称之为螺旋选晶器的螺旋形型腔，当多个以该圆柱轴向其实也是生长轴向为〈001〉晶体学位向的柱状晶生长进入螺旋选晶器的螺旋形型腔并且经过螺旋选晶器型腔到达单晶体型腔或者是单晶叶片型腔时，该多个生长轴向为〈001〉晶体学位向的柱状晶就被螺旋选晶器选为一个生长轴向为〈001〉晶体学位向的晶体或叶片了，但是如果将该生长轴向设定为直角坐标系中的y方向，则这个y方向是〈001〉位向，而这个晶体或叶片的x方向和z方向的奥氏体晶体学位向可以是任意的位向，也就是说不一定是〈001〉位向。

本发明公开了一种直角选晶器，采用直角选晶器代替传统的起始段和螺旋选晶器就可以保证金属液体结晶生长到达单晶体型腔的单晶不仅在轴向上是位向为〈001〉的单晶，而且在其他两个互为垂直的方向上也都是〈001〉晶体学位向。

实施例一

本发明的一个具体实施例公开了一种直角选晶器，该直角选晶器具有中空型腔，包括上升段和水平段，上升段与水平段垂直设置且连通，金属液体注入中空型腔内。

实施时，金属液体注入直角选晶器的中空型腔内。金属液体先在上升段生长，在上升段生长完成后进入水平段生长。

与现有技术相比，本实施例提供的直角选晶器具有如下有益效果：

(1)本实施例的直角选晶器，通过设置上升段和水平段，并且使二者相互连通且垂直设置，使得使用本实施例的选晶器控制生长的单晶叶片不仅能够保证叶片轴向的结晶位向是最佳力学性能方向，而且能够保证在叶片的叶背和排气边的结晶位向也是最佳力学性能方向。

(2)由于使用本实施例的直角选晶器所得到的单晶在立方系直角坐标系的三个方向上均具有最佳力学性能，所以晶体生长得到的单晶叶片力学性能好、强度高，耐疲劳性强，使用寿命长。

(3)由于本实施例的直角选晶器在水平方向上具有晶体位向控制措施，所以由多重直角选晶器向上生长得到的多个单晶之间不存在晶界，从而大幅提高单晶叶片的力学性能。

(4)使用本实施例的直角选晶器生长的单联单晶叶片和多联单晶叶片综合性能优异。单联单晶叶片可以大幅提高燃气轮机的工作效率，多联单晶叶片可以有效降低燃气轮机的制造成本。

为了彻底淘汰生长方向不是〈001〉位向的单晶，本实施例的直角选晶器包括沿竖直方向设置的A段和D段，以及沿水平方向设置的B段和C段。A段、B段、C段和D段依次连接；B段和C段垂直设置，A段与D段平行设置，如图1-3和图20所示。通过上述设计，在A段要淘汰其他位向(如〈011〉、〈111〉、〈112〉等非〈001〉位向)的晶体，但在A段金属液体是以柱状晶方式生长的。

但由于在A段金属液体以柱状晶方式生长，在B段就必然是以板片状晶方式向C段方向生长，当生长到达C段时，其他位相(如〈011〉、〈111〉、〈112〉等非〈001〉位向)的板状晶全部被淘汰，生长到达C段的板状晶全部是〈001〉位向的晶体，但是板状晶的〈001〉位向晶体无法得到工业上可以使用的单晶叶片，因此，本实施例还设置了C段和D段，C段是由B段生长结束后转90°开始的，C段向D段方向的生长就是由B段的一个〈001〉位向的板状晶让它在垂直于板面的方向上，由B段的末端生长到D段的初端，由板状生长成为体状，这个体状也就是我们所要的A段、B段、C段或者说B段、C段、D段三个方向上都是〈001〉位向的单晶了，此时D段向上延续生长到产品比如说单晶叶片，那么这个单晶叶片只要它的叶背或者排气边与B段或者C段平行或者垂直，那么这个单晶叶片的轴向、叶背方向、排气边方向就都是〈001〉位向了。这个生长过程可以参看图12～图19。图13是图12的俯视图，图15是图14的俯视图，图17是图16的俯视图，图19是图18的俯视图。

为了验证本实施例的晶体位向控制器材在水平方向上的晶体位向控制措施是否有效，本实施例的晶体位向控制器材中直角选晶器的数量为多个，如图21所示，并且晶体位向控制器材还包括过渡段E；过渡段E与直角选晶器上端部连通，金属液体从过渡段的上端注入，流入多个直角选晶器内。示例性地，直角选晶器的数量为两个。通过观察浇铸样品可以得知本实施例的晶体位向控制器材在水平方向上的晶体位向控制措施是否有效。如果浇铸样品表面没有晶界，说明结晶的固体整体在立方系直角坐标系的三个方向上都是〈001〉位向的单晶，证明本实施例的晶体位向控制器材在水平方向上的晶体位向控制措施是有效的；如果浇铸样品表面有晶界，说明结晶的固体整体在立方系直角坐标系的三个方向上不都是〈001〉位向的单晶，证明本实施例的晶体位向控制器材在水平方向上的晶体位向没有控制措施或者控制措施是无效的，如图22所示。

具体来说，直角选晶器型腔的横截面可以为正方形或圆形，也可以为其他形状。示例性地，本实施例型腔的横截面为正方形，正方形的边长为10mm。根据所浇铸的金属液体的种类不同，来选择合适的型腔的形状和尺寸。

值得注意的是，本实施例中A段的长度为30mm，B段的长度为30mm，C段的长度为30mm，D段的长度为20mm。同样地，A、B、C、D各段的长度也是根据金属液体的种类不同来选择的。

示例性地，A段的长度可以为70mm，B段的长度可以为70mm，C段的长度可以为70mm，D段的长度可以为60mm。

示例性地，本实施例直角选晶器的材质为镍基合金，其成分及质量百分含量为：镍、50％，铬、20％，铝、5％，钛、2％，钼、8％，钨、15％。

实施例二

本发明的另一个具体实施例公开了一种使用上述晶体位向控制器材控制晶体的生长方式，包括以下几个阶段：

(1)第一上升段的凝固生长过程；

(2)第一水平段的凝固生长过程；

(3)第二水平段的凝固生长过程；

(4)第二上升段的凝固生长过程。

本实施例所选用的金属液体为镍基合金，其成分及质量百分含量为：镍、50％，铬、20％，铝、5％，钛、2％，钼、8％，钨、15％。

实施时，金属液体由过渡段的上端注入，充满整个直角选晶器型腔以及过渡段。通过控制铸造条件，金属液体开始结晶。

由图4和图5可知，金属液体充满直角选晶器型腔后，首先在A段以多个柱状晶生长方式向上生长，此时在图4的A段中可以看到略带弯曲的固-液界面，该固-液界面以下是多个柱状晶的侧面，该固-液界面以上是液体。图5是A段中多个柱状晶的正面，固-液界面以上、以及其他各段还都是液体。此时这些柱状晶中有很多轴向晶体学位向不是〈001〉位向，但在A段生长完成后，即经过各种晶体学位向的柱状晶竞争生长淘汰后，所剩下的全部是〈001〉位向的柱状晶。这一过程还可参见图12和图13的晶体实际生长示范图。

由图6和图7可知，在充满金属液体的直角选晶器型腔中，A段的多个柱状晶向上生长已经完成，此时在A段的顶端，所有的柱状晶已经都是〈001〉位向了，并且以多个板片状晶体生长进入到B段，在此段的多个板片状晶要在水平方向上竞争生长淘汰所有的不是〈001〉位向的板片状晶，剩下的全部都是〈001〉位向的板片状晶。这一过程还可参见图14和图15的晶体实际生长示范图。

由图8和图9可知，在充满金属液体的直角选晶器型腔中，此时，B段的多个板片状晶在水平方向上竞争生长已经淘汰了所有的不是〈001〉位向的板片状晶，剩下的全部是〈001〉位向的板片状晶，并且已经以〈001〉位向为生长方向的单晶生长进入了C段，因为在晶体结构立方系中，已经有两个结晶方向是〈001〉位向了，那么第三个结晶方向只能是〈001〉位向。这一过程还可参见图16和图17的晶体实际生长示范图。

由图10和图11可知，在充满金属液体的直角选晶器型腔中，C段已经以〈001〉位向为生长方向的单晶生长完成，并且进入了D段，到此为止所结晶的固体已经是整体在立方系直角坐标系的三个方向上都是〈001〉位向的单晶了。这一过程还可参见图18和图19的晶体实际生长示范图。由D段继续向上生长进入过渡段，再继续生长就进入了所要生产的单晶体或者单晶叶片了，也就是说，此单晶体或者单晶叶片就继承了图1、图2、和图3所示的直角选晶器D段的主视图、右视图和俯视图垂直方向都是〈001〉位向的单晶了。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体位向控制器材，所述晶体位向控制器材具有中空型腔，其特征在于，所述晶体位向控制器材为具有直角形状的选晶器；

所述直角选晶器包括上升段和水平段，所述上升段与所述水平段垂直设置且连通，金属液体注入中空型腔内。

2.根据权利要求1所述的晶体位向控制器材，其特征在于，所述上升段包括沿竖直方向设置的第一上升段和第二上升段，所述水平段包括沿水平方向设置的第一水平段和第二水平段；

所述第一上升段、所述第一水平段、所述第二水平段和所述第二上升段依次连接；所述第一水平段与所述第二水平段垂直设置，所述第一上升段与所述第二上升段平行设置。

3.根据权利要求1所述的晶体位向控制器材，其特征在于，所述直角选晶器的数量为一个或多个。

4.根据权利要求3所述的晶体位向控制器材，其特征在于，所述晶体位向控制器材还包括过渡段；所述过渡段与所述直角选晶器上端部连通，金属液体从所述过渡段的上端注入，流入所述一个或多个直角选晶器内。

5.根据权利要1所述的晶体位向控制器材，其特征在于，所述第一上升段的长度为30～70mm，所述第一水平段的长度为30～70mm，所述第二水平段的长度为30～70mm，所述第二上升段的长度为20～60mm。

6.根据权利要1所述的晶体位向控制器材，其特征在于，所述直角选晶器的材质为镍基合金。

7.根据权利要6所述的晶体位向控制器材，其特征在于，所述镍基合金的成分及质量百分含量为：镍、50％，铬、20％，铝、5％，钛、2％，钼、8％，钨、15％。

8.一种晶体位向控制方法，其特征在于，使用权利要求1至7所述的晶体位向控制器材控制晶体的生长方式，晶体的生长包括以下几个阶段：

(1)第一上升段的凝固生长过程；

(2)第一水平段的凝固生长过程；

(3)第二水平段的凝固生长过程；

(4)第二上升段的凝固生长过程。

9.根据权利要求8所述的晶体位向控制方法，其特征在于，所述过程(1)中，金属液体以柱状晶生长方式向上生长淘汰向上的非〈001〉位向的柱状晶；所述过程(2)中，晶体以板片状晶方式水平生长淘汰此水平方向的非〈001〉位向的板片状晶。

10.根据权利要求8所述的晶体位向控制方法，其特征在于，所述过程(3)中，所述过程(2)中的已经是〈001〉位向的板片状晶的其中一个板片在与其垂直的另一个水平方向上生长成为整体的〈001〉位向的长方体；所述过程(4)连接扩大生长的过渡段，通过所述过渡段完成过程(4)与单晶体产品生长过程的连接。