CN109773137A - 一种防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单晶高温合金叶片制备技术领域，具体为一种防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法。该方法步骤如下：(1)在模具中压制具有保温功能的引晶条，根据叶片叶身长度设计引晶条的尺寸；(2)在模具将引晶条与单晶导向叶片叶身相连接，确保引晶条顶部的引晶端位于导叶叶身的最低处；(3)将具有引晶条的单晶高温合金导向叶片蜡模进行挂浆、淋砂、脱蜡后烧结制成刚玉模壳；(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金导向叶片。本发明可使单晶高温合金导向叶片叶身处过冷度大大减小，从而降低叶身杂晶缺陷的形成，具有制备工艺简单，成本低廉等特点，从而有利于提高单晶高温合金导向叶片的合格率。
Description
技术领域：
本发明涉及单晶高温合金叶片制备技术领域，具体为一种防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法。
背景技术：
单晶高温合金叶片是航空发动机和工业燃气轮机中的关键部件，合金的性能对发动机的效率起到非常关键作用。随着进气口温度的提升，单晶高温合金导向叶片在航空发动机和工业燃气轮机获得应用，但是由于单晶导向叶片形状要比涡轮动叶要复杂得多，主要由叶身、叶身两端的上缘板和下缘板、以及上缘板和下缘板上的括板组成“工字型”结构。由于单晶导向叶片的这种“工字型”结构，叶身处横截面的巨大变化，导致定向凝固过程中形成较大的过冷，使得母晶粒之间杂晶缺陷的产生，进而使结构复杂的导向叶片难以实现顺序的单晶生长，进而导致叶身在杂晶缺陷处产生裂纹(见图2)。
目前，控制单晶高温合金叶片杂晶的方法主要有引晶法、包裹陶瓷纤维(如：硅酸铝棉等)。其中，引晶法采用在组装蜡树时，在叶片蜡模上粘贴引晶条，利用引晶条将叶片底端与叶身与缘板边角处连接起来，使得定向凝固时从选晶器长出的单晶直接向上通过引晶条引入叶身，使单晶导向叶片叶身长成单晶组织，尽管该方法避免叶身过冷导致杂晶的形核长大，但是传统引晶条尺寸较小，很难避免叶身处杂晶的形核，而若增加引晶条尺寸，则易导致凝固收缩时引晶条与叶身连接处形成较大的残余应力，使得后续热处理过程中形成再结晶缺陷。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，该方法通过在引晶条上设置保温模块与缩颈，而避免在导向叶片上直接设置保温模块需要繁琐的切割，同时缩颈的设计可有效避免凝固收缩应力集中而导致热处理过程中在叶身处形成再结晶缺陷，该方案可简化工艺、降低由工艺复杂所导致的单晶叶片凝固缺陷报废率高、成本高等问题。
本发明的技术方案是：
一种防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，具体步骤如下：
(1)在模具中压制具有保温功能的引晶条，单晶高温合金引晶条模具设计时，根据叶片叶身长度设计引晶条的尺寸，引晶条上具有保温模块部分和缩颈部分；
(2)在模具将引晶条与单晶导向叶片叶身相连接，确保引晶条顶部的引晶端位于导叶叶身的最低处；
(3)将具有引晶条的单晶高温合金导向叶片蜡模进行挂浆、淋砂、脱蜡后烧结制成刚玉模壳；
(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金导向叶片。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，单晶高温合金导向叶片由叶身、叶身两端的上缘板和下缘板组成“工字型”结构，叶身的底部通过引晶条与选晶器相连通，选晶器的底部与引晶器相连通。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，引晶条竖向设置，其上部设置保温模块，引晶条的中部带有缩颈，保温模块为下端弧形的条形块。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，步骤(1)中，根据叶片叶身长度设计保温模块的尺寸，保温模块的尺寸范围为：长10～90mm×宽30～90mm×厚5～90mm。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，步骤(1)中，根据叶片叶身长度设计引晶条的尺寸，引晶条的尺寸范围为：直径0.5～5mm，长度100～150mm。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，步骤(1)中，根据引晶条尺寸设置缩颈，防止单晶叶片与产生应力集中，缩颈处直径为0.2～4.5mm。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，步骤(2)中，在模具中将引晶条与单晶导向叶片叶身相连接，确保引晶条顶部的引晶端位于导向叶片叶身的最低处，保温模块顶部与叶身最低处距离为0.5～5mm。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，步骤(3)中，将具有引晶条的单晶高温合金导向叶片蜡模进行挂浆、淋砂，再对引晶条上的保温模块进行多次挂浆，厚度为5～15mm。
所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，步骤(4)中，将单晶高温合金导向叶片在真空定向凝固炉中进行定向凝固，在真空度为0.01～10Pa，浇注温度为1450～1600℃，拉速为0.1～6mm/min条件下进行定向凝固；当固液界面位于引晶条的保温模块部分时，拉速控制在0.1～2mm/min控制局部凝固的温度场；当固液界面超过叶身最低点1～10mm时，再次进行拉速调整，从而降低单晶导向叶片叶身处杂晶的形成。
本发明的设计思想是：
本发明方法基于单晶高温合金导向叶片“工字型”结构特点，定向凝固过程中大平面处温度场变化所导致杂晶缺陷形成的问题，通过引晶条结构的设计，不仅可以实现引晶的目的，还可以改变“工字型”导向叶片大平面处的温度场。此外，缩颈结构的设计可有效缓解凝固过程中引晶条与导向叶片叶身处的凝固收缩应力，缓解热处理过程中的再结晶倾向性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明工艺设计合理，设计具有保温功能的引晶条，并将引晶条与导向叶片叶身相连接，具有操作工艺简单、成本低廉等优点，显著降低制备成本与操作难度。
2、本发明通过在引晶条上设置保温模块，利用引晶条上的保温模块改变导向叶片叶身处的温度场，起到抑制杂晶形成的作用，可避免由于增加工艺条所带来的机加去除困难。
3、本发明通过在引晶条上设置缩颈部分，利用凝固过程中的应力收缩，将应力转移至缩颈处，可降低凝固过程中引晶条与导向叶片叶身处的应力集中，缓解热处理过程中再结晶缺陷的形成。
4、本发明操作简单，设计合理，可操作性强，可显著降低单晶高温合金导向叶片叶身杂晶缺陷的形成，提高单晶高温合金导向叶片的合格率。
总之，本发明通过引晶条结构设计与凝固工艺的匹配，该技术的发明可以有效避免“工字型”结构叶身过冷而引发的形核，解决“工字型”导向叶片大平面处的温度场不均匀易形成杂晶缺陷的问题，该技术发明有利于降低导向叶片杂晶缺陷的形成，提高单晶高温合金导向叶片的合格率。
附图说明：
图1为单晶高温合金导向叶片的生产模具示意图；其中，1.上缘板；2.引晶条；3.选晶器；4.引晶器；5.叶身；6.下缘板。
图2为一种单晶高温合金导向叶片叶身处杂晶形貌。
图3(a)-(d)为引晶条示意图；其中，图3(a)引晶条总体结构示意图，图3(b)保温模块主视图，图3(c)保温模块侧视剖面图，图3(d)缩颈部分；其中，2.引晶条；7.保温模块；8.缩颈。
图4为采用该发明所制备的AM3单晶高温合金导向叶片叶身处的组织形貌。
图5为采用该发明所制备的SRR99单晶高温合金导向叶片叶身处的组织形貌。
图6为采用该发明所制备的RenéN5单晶高温合金导向叶片叶身处的组织形貌。
具体实施方式：
如图1所示，本发明单晶高温合金导向叶片，主要由叶身5、叶身5两端的上缘板1和下缘板6组成“工字型”结构，叶身5的底部通过引晶条2与选晶器3相连通，选晶器3的底部与引晶器4相连通。
如图3(a)-(d)所示，竖向设置的引晶条2上部设置保温模块7，引晶条2的中部带有缩颈8，保温模块7为下端弧形的条形块。
在具体实施过程中，本发明防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，具体步骤如下：
(1)在模具中压制具有保温功能的引晶条，单晶高温合金引晶条模具设计时，根据叶片叶身长度设计引晶条的尺寸，引晶条上具有保温模块部分和缩颈部分；(2)在模具将引晶条与单晶导向叶片叶身相连接，确保引晶条顶部的引晶端位于导叶叶身的最低处；(3)将具有引晶条的单晶高温合金导向叶片蜡模进行挂浆、淋砂、脱蜡后烧结制成刚玉模壳；(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金导向叶片。
下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例采用镍基单晶高温合金AM3，其合金成分如表1所示。
表1合金元素重量百分比
| Cr | Mo | Al | W | Ti | Ta | Co | Ni |
| 8.0 | 2.0 | 5.6 | 5.0 | 1.0 | 4.0 | 6.0 | 余 |
本实施例以发动机用单晶导向叶片为例，该单晶叶片叶身处L的长度约为40mm，通过注蜡机将熔融石蜡注入预先设计好的引晶条金属模具内，引晶条直径为0.5mm、长度100mm，引晶条保温模块尺寸特征为：长x＝10mm、宽y＝30mm、厚z＝5mm，缩颈处直径为0.2mm，并将引晶条与导向叶片蜡模组成蜡型，保温模块顶部与导向叶片叶身最低处的距离为0.5mm，将组合好的蜡模通过挂浆晾干后，再对引晶条上的保温模块进行多次挂浆，使其厚度为5mm，随后脱蜡后烧结制成刚玉模壳。在真空定向炉中进行定向凝固单晶高温合金导向叶片，单晶制备工艺为真空度为0.01Pa，合金的浇注温度为1450℃，拉速为0.1～3mm/min条件下进行定向凝固，当固液界面处于保温模块附件时，将拉速控制在0.1mm/min，而当固液界面超过叶身最低处1mm时，将拉速调整至3mm/min经脱壳宏观腐蚀后导向叶片叶身形貌如图4所示。
实施例2
本实施例采用镍基高温合金SRR99，合金成分如表2所示。
表2 SRR99合金中主要合金元素重量百分比
| C | Cr | Co | Al | Ti | W | Ta | Nb | Ni |
| 0.0 5 | 9.0 | 6.0 | 5.5 | 1.0 | 9.5 | 3.0 | 1.0 | 余 |
本实施例以发动机用单晶导向叶片为例，该单晶叶片叶身处L的长度约为100mm，通过注蜡机将熔融石蜡注入预先设计好的引晶条金属模具内，引晶条直径为3mm、长度120mm，引晶条保温模块尺寸特征为：长x＝50mm、宽y＝30mm、厚z＝30mm，缩颈处直径为2mm，并将引晶条与导向叶片蜡模组成蜡型，保温模块顶部与导向叶片叶身最低处的距离为3mm，将组合好的蜡模通过挂浆晾干后，再对引晶条上的保温模块进行多次挂浆，使其厚度为10mm，随后脱蜡后烧结制成刚玉模壳。在真空定向炉中进行定向凝固单晶高温合金导向叶片，单晶制备工艺为真空度为5Pa，合金的浇注温度为1500℃，拉速为0.5～5mm/min条件下进行定向凝固，当固液界面处于保温模块附件时，将拉速控制在0.5mm/min，而当固液界面超过叶身最低处1mm时，将拉速调整至3mm/min经脱壳宏观腐蚀后导向叶片叶身形貌如图5所示。
实施例3
本实施例采用镍基高温合金RenéN5，合金成分如表3所示。
表3 RenéN5合金中主要合金元素重量百分比
| Mo | Cr | Co | Al | Hf | W | Ta | Re | Ni |
| 2.0 | 7.0 | 8.0 | 6.2 | 0.15 | 5.0 | 7.0 | 3.0 | 余 |
本实施例以发动机用单晶导向叶片模拟件为例，该单晶叶片叶身处L的长度约为150mm，通过注蜡机将熔融石蜡注入预先设计好的引晶条金属模具内，引晶条直径为5mm、长度150mm，引晶条保温模块尺寸特征为：长x＝90mm、宽y＝90mm、厚z＝90mm，缩颈处直径为4.5mm，并将引晶条与导向叶片蜡模组成蜡型，保温模块顶部与导向叶片叶身最低处的距离为5mm，将组合好的蜡模通过挂浆晾干后，再对引晶条上的保温模块进行多次挂浆，使其厚度为15mm，随后脱蜡后烧结制成刚玉模壳。在真空定向炉中进行定向凝固单晶高温合金导向叶片，单晶制备工艺为真空度为10Pa，合金的浇注温度为1550℃，拉速为0.5～6mm/min条件下进行定向凝固，当固液界面处于保温模块附近时，将拉速控制在2mm/min，而当固液界面超过叶身最低处10mm时，将拉速调整至6mm/min经脱壳宏观腐蚀后导向叶片叶身形貌如图6所示。
本发明工作过程及结果如下：本发明通过设计引晶条结构，在引晶条上设计保温模块与缩颈结构，不仅可以改变“工字型”导向叶片大平面处的温度场不均匀性，从而抑制叶身处杂晶的形核，还可以缓解贴补引晶条后引晶条与叶身连接处的应力集中，降低热处理再结晶倾向性，提高单晶高温合金导向叶片的合格率。
如图4、图5和图6为分别采用该技术所制备的不同牌号及尺寸单晶高温合金导向叶片或模拟件，从宏观形貌可以看出，均没有杂晶缺陷的形成。
实施例结果表明，本发明可使单晶高温合金导向叶片叶身处过冷度大大减小，具有制备工艺简单、成本低廉等特点，借助引晶工艺将保温模块与应力转移的缩颈相结合，从而实现单晶高温合金导向叶片叶身处温度场的控制，从而降低单晶高温合金导向叶片缘板处杂晶晶核的形成。此外，通过缩颈结构的设计可缓解引晶条与叶身连接处的应力集中，降低叶片再结晶倾向性，可显著提高单晶高温合金导向叶片的合格率。
Claims (9)
1.一种防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在模具中压制具有保温功能的引晶条，单晶高温合金引晶条模具设计时，根据叶片叶身长度设计引晶条的尺寸，引晶条上具有保温模块部分和缩颈部分；
(2)在模具将引晶条与单晶导向叶片叶身相连接，确保引晶条顶部的引晶端位于导叶叶身的最低处；
(3)将具有引晶条的单晶高温合金导向叶片蜡模进行挂浆、淋砂、脱蜡后烧结制成刚玉模壳；
(4)将刚玉模壳置于定向凝固炉中进行凝固，制备单晶高温合金导向叶片。
2.按照权利要求1所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，单晶高温合金导向叶片由叶身、叶身两端的上缘板和下缘板组成“工字型”结构，叶身的底部通过引晶条与选晶器相连通，选晶器的底部与引晶器相连通。
3.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，引晶条竖向设置，其上部设置保温模块，引晶条的中部带有缩颈，保温模块为下端弧形的条形块。
4.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据叶片叶身长度设计保温模块的尺寸，保温模块的尺寸范围为：长10～90mm×宽30～90mm×厚5～90mm。
5.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据叶片叶身长度设计引晶条的尺寸，引晶条的尺寸范围为：直径0.5～5mm，长度100～150mm。
6.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据引晶条尺寸设置缩颈，防止单晶叶片与产生应力集中，缩颈处直径为0.2～4.5mm。
7.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(2)中，在模具中将引晶条与单晶导向叶片叶身相连接，确保引晶条顶部的引晶端位于导向叶片叶身的最低处，保温模块顶部与叶身最低处距离为0.5～5mm。
8.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(3)中，将具有引晶条的单晶高温合金导向叶片蜡模进行挂浆、淋砂，再对引晶条上的保温模块进行多次挂浆，厚度为5～15mm。
9.按照权利要求1或2所述的防止单晶高温合金导向叶片杂晶缺陷形成的方法，其特征在于，步骤(4)中，将单晶高温合金导向叶片在真空定向凝固炉中进行定向凝固，在真空度为0.01～10Pa，浇注温度为1450～1600℃，拉速为0.1～6mm/min条件下进行定向凝固；当固液界面位于引晶条的保温模块部分时，拉速控制在0.1～2mm/min控制局部凝固的温度场；当固液界面超过叶身最低点1～10mm时，再次进行拉速调整，从而降低单晶导向叶片叶身处杂晶的形成。
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Denomination of invention: A method for preventing the formation of heterocrystalline defects in single crystal superalloy guide vane Effective date of registration: 20220225 Granted publication date: 20200710 Pledgee: Fushun Bank Co.,Ltd. Development Zone sub branch Pledgor: Liaoning Hongyin Metal Co.,Ltd. Registration number: Y2022210000012 |