CN110306237A - 一种设计高效选晶器的方法 - Google Patents

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    • 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
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

本发明公开了一种设计高效选晶器的方法，属于选晶器开发领域，使用降维法对三维的螺旋选晶器在二维平面投影的视图进行分析优化，再投影相应的三维螺旋选晶器，重新设计的选晶器具有更高效的晶粒选择。本发明主要包括以下步骤：将螺旋选晶器的三维视觉投影成二维，得到2D视图C型和Z型；然后对得到的C型和Z型晶粒选晶器进行实验，获得优化的参数；最后结合二维模型的优化结果投影相应的三维螺旋选晶器。

Description

一种设计高效选晶器的方法
技术领域
本发明属于选晶器开发领域，尤其涉及一种设计高效选晶器的方法。
背景技术
单晶(SX)高温合金因其高温性能而广泛应用于制造工业燃气轮机。通常单晶材料是通过定向凝固过程制备的，一般采用籽晶法和选晶法。籽晶法虽然可以控制SX结构的取向，但该方法的操作过程十分复杂，而且更适合用于杂晶。因此，在实践中更多采用选晶器选晶。选晶器的结构主要包括：引晶段和选晶段，引晶段控制晶粒的取向和枝晶生长，选晶器有利于单个晶粒的生长，最终得到单晶材料。在目前的实践中，称为猪尾的三维(3D)螺旋选晶器在单晶材料的生产中应用更广。选晶器的几何形状对晶粒选择效率十分重要，选晶器的关键参数之一是选晶器直径，研究表明，选晶器直径越小，螺旋选晶器的晶粒选择效率就越高。然而，随着选晶器直径的减小，螺旋选晶器的支撑强度降低，到达一定点的时候，螺旋选晶器就不能进行单晶铸件。此外，这种3D选晶器的模型制造十分复杂，操作过程也很复杂的。由于选晶器的螺旋结构，很难通过3D演示观察选晶器中整个枝晶生长过程，并且也很难直接描述相应的晶粒选择机制，因此，直接研究和分析三维螺旋选晶器有一定的难度。
发明内容
本发明提供了一种设计高效选晶器的方法，使用降维法对三维的螺旋选晶器在二维平面投影的视图进行分析优化，再投影相应的三维螺旋选晶器，重新设计的选晶器具有更高效的晶粒选择。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种设计高效选晶器的方法，包括以下步骤：
(1)将螺旋选晶器的三维视觉投影成二维，得到2D视图C型和Z型；
(2)对步骤(1)得到的C型和Z型晶粒选晶器进行实验，获得优化的参数；
(3)结合步骤(2)二维模型的优化结果投影相应的三维螺旋选晶器。
以上所述步骤中，步骤(1)中所述选晶器包括引晶段和选晶段，所述引晶段尺寸长×宽×高为10mm×10mm×30mm，步骤(2)中所述参数为选晶直径(dw)、螺距(ds)、起升角(θ)，所述C型的选晶直径dw为2.6mm～4.2mm，优选3mm，所述C型的螺距ds为6mm～20mm，优选8mm，所述Z型的起升角θ为15°～55°，优选40°，所述Z型的选晶直径dw为0.18cm～0.54cm，优选0.3cm。
有益效果：本发明提供了一种设计高效选晶器的方法，使用了降维法对三维的螺旋选晶器在二维平面投影的视图C视角和Z视角进行分析优化，删除冗余特征找到二维C型和Z型选晶器在三维螺旋选晶器的共性的特征值，再根据二维模型的优化结果投影相应的三维螺旋选晶器，重新设计的选晶器具有更高效的晶粒选择。高维数据增加了数据分析难度，而且高维度使得样本复杂度增加，维度越高，实验成本就越大，本发明采用降维能够加快研发速度，增加数据的可读性，利于发掘有意义的数据。
附图说明
图1为本发明的方法的流程图；
图2为本发明2D选晶器示意图；
图3为本发明实施例中不同选晶直径的C型选晶器中晶粒的生长和选择机理示意图，其中(a)选晶直径为2.6mm、(b)选晶直径为3mm、(c)选晶直径为6mm；
图4为本发明实施例中不同螺距的C型选晶器中晶粒的生长示意图，其中(a)螺距为6mm、(b)螺距为8mm；
图5为长螺距晶粒竞争和阻塞机理示意图；
图6为本发明实施例中不同选晶直径的Z型选晶器中晶粒的生长和选择机理示意图，其中(a)选晶直径为2.6mm、(b)选晶直径为3mm、(c)选晶直径为6mm；
图7为本发明实施例中不同起升角的Z型选晶器中晶粒的生长和选择机理示意图，其中(a)起升角为15°、(b)起升角为30°、(c)起升角为40°；
图8为2D选晶器和螺旋选晶器螺距对比示意图；
图9为本发明选晶器用于SX涡轮叶片熔模铸造示意图；
图10为本发明实施例中蜡模型(a)和壳模型(b)示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种设计高效选晶器的方法，包括以下步骤：
(1)将螺旋选晶器的三维视觉投影成二维，得到如图2所示的2D视图C型和Z型；
(2)对步骤(1)得到的C型和Z型晶粒选晶器进行实验，获得优化的参数；
(3)结合步骤(2)二维模型的优化结果投影相应的三维螺旋选晶器。
以上所述步骤中，步骤(1)中所述选晶器包括引晶段和选晶段，所述引晶段尺寸长×宽×高为10mm×10mm×30mm，步骤(2)中所述参数为选晶直径(dw)、螺距(ds)、起升角(θ)。
实施例1
研究C型选晶器中不同选晶直径对选晶过程的影响，选取八个实施例，表1为八个不同选晶直径的C型选晶器选晶结果：
表1
如图3(a)所示，当选晶直径小于3mm时，晶粒1以比晶粒2和晶粒3更快的速度生长，因此，晶粒2和晶粒3的进一步生长将受到晶粒1的垂直枝晶的限制，这样晶粒2和3的生长将在到达2区之前停止，这意味着当直径小于0.3cm时，增加选晶直径对选择的影响可以忽略不计；如图3(b)所示，当选晶直径为0.3cm时，由于选晶直径较大，来自晶粒1的晶体不能阻挡晶粒2中的晶体，晶粒2有机会进入区域2但几乎不到达区域3；如图3(c)所示，当选晶直径超过0.3cm时，选择通道的界限不能阻止晶粒2到达3区，因此，晶粒1和晶粒2都进入3区，在这种情况下，晶粒2将在垂直方向上继续生长，直到在区域3中的晶粒1的枝晶停止。当晶粒2在区域3中的通道中生长时，产生杂晶。
实施例2
研究C型选晶器中不同螺距对选晶过程的影响，选取八个实施例，表2为八个不同螺距的C型选晶器选晶结果：
表2
如图4(a)所示，当螺距小于8mm时，晶粒到达区域2的时间非常短，因此晶粒1和晶粒2之间的温度梯度差异的影响不能在这样的短螺距中明显地显示出来，晶粒2将在垂直方向上保持生长，直到它被区域3中的晶粒1的晶体停止阻止，因此，当间距长度小于8mm时，产生杂晶。如图4(b)表明，当螺距超过8mm时，晶粒2有机会到达区域2，但由于螺距较长以及晶粒1和晶粒2之间的温度梯度差异，它是几乎不可能到达3区。
为了说明枝晶生长过程有长螺距阻塞，下面将详细讨论其生长模型：
如图5所示，在长间距通道中，由于凝固过程中a枝晶接近冷区，a枝晶具有较高的过冷度，有助于提高ΔTz，因此V(ΔTz)(a枝晶)高于V(ΔTz)(b枝晶)，最后，a枝晶将阻挡b枝晶。
实施例3
研究Z型选晶器中不同选晶直径对选晶过程的影响，选取八个实施例，表3为八个不同选晶直径的Z型选晶器选晶结果：
表3
如图6(a)所示，当直径小于3mm时，晶粒1以比晶粒2和晶粒3更快的速度生长，因此晶粒2和晶粒3的进一步生长将受到晶粒1的垂直枝晶的抑制，在这种情况下，晶粒2和3将在到达2区之前停止。这表明在直接小于3mm时增加选晶直径会降低选择效率；如图6(b)所示，当选晶直径为3mm时，由于选晶直径较大，晶粒1的晶体不能阻挡晶粒2的晶体，晶粒2有机会进入区域2但几乎不到达区域3；如图6(c)所示，当直径超过3mm时，选择通道的界限不能阻止晶粒2到达3区，因此晶粒1和晶粒2都进入3区，在这种情况下，晶粒2将在垂直方向上保持生长，直到被区域3中的晶粒1的枝晶阻挡，当晶粒2在区域3中的通道中生长时，产生杂晶。
实施例4
研究Z型选晶器中不同起升角对选晶过程的影响，选取九个实施例，表4为九个不同起升角的Z型选晶器选晶结果：
表4
如图7(a)和(b)所示，如果起升角较大，晶粒2能到达第2区较高位置，如图8(c)所示，当起升角达到40°时，晶粒2有可能到达3区，最后通过晶粒选择通道生长，当起升角超过40°时，出现杂晶。
一般来说，起升角越小，选晶效率越高。但实际上，较小的起升角在支撑蜡棒时强度较弱，因此最佳起升角度为40°。
综上所述，2D选晶器的最佳参数为：选晶直径为3mm、螺距为8mm，起升角为40°，如图8所示，二维螺距是三维螺旋模型的二维线性投影，而且2D和3D模型之间具有相同的几何线性机制，因此，在三维螺旋选晶器中螺距最佳参数也为：选晶直径为3mm、螺距为8mm，起升角为40°，将以上参数运用到优化螺旋选晶器上。
以超合金CM247LC生长为例，表5列出了CM247LC的化学组成：
表5
Elements Al Ti Cr Mo Co W Ta Hf C Ni
Wt.％ 5.49 0.74 8.03 0.5 9.41 9.87 2.9 1.36 0.094 Bal.
将不同尺寸的2D选晶器和20mm(D)×150mm(H)的圆柱蜡棒作为整体，这些部件围绕中柱，形成如图10所示的蜡模。然后将蜡组浸入具有不同粘度的水基陶瓷砂浆中，并涂上不同尺寸的氧化铝砂浆，重复整个过程，直到壳模壁厚达7～8毫米，干燥后，将模具脱蜡，再烧结模具以除去剩余的蜡，并增加壳强度；最后，壳模安装在Bridgman炉的水冷铜冷却器上。
如图9所示，在铸造过程中，将壳模放到圆柱炉中，并加热至1470℃。在炉温均衡后，将熔化的合金加热至1500℃并倒入模具中，将模具从炉中取出使晶粒生长为3mm/min。当加热器的温度降至300℃以下时，释放真空，敲碎壳膜，取出部件。在除去陶瓷碎片后，使用50％H2O2+50％HCl蚀刻剂蚀刻样品以显示宏观结构。然后纵向和横向切割选晶器，并使用60mL C2H5OH+40mL HCl+2gCuCl2·2H2O蚀刻剂蚀刻以显示选晶器中的枝晶结构。枝晶的结构比较复杂，用扫描电子显微镜研究枝晶结构的演变趋势及其动态变化。
以上仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种设计高效选晶器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将螺旋选晶器的三维视觉投影成二维，得到2D视图C型和Z型；
(2)对步骤(1)得到的C型和Z型晶粒选晶器进行实验，获得优化的参数；
(3)结合步骤(2)二维模型的优化结果投影相应的三维螺旋选晶器。
2.根据权利要求1所述的设计高效选晶器的方法，其特征在于，步骤(1)中所述选晶器包括引晶段和选晶段，所述引晶段尺寸长×宽×高为10mm×10mm×30mm。
3.根据权利要求1所述的设计高效选晶器的方法，其特征在于，步骤(2)中所述参数为选晶直径、螺距、起升角。
4.根据权利要求1或3所述的设计高效选晶器的方法，其特征在于，所述C型选晶器的选晶直径为 2.6mm~4.2mm，所述C型选晶器的的螺距为 6mm~20mm。
5.根据权利要求4所述的设计高效选晶器的方法，其特征在于，所述C型选晶器的选晶直径为3mm，所述C型的螺距为8mm。
6.根据权利要求1或3所述的设计高效选晶器的方法，其特征在于，所述Z型选晶器的起升角为15°~55°，所述Z型选晶器的选晶直径为0.18cm~0.54 cm。
7.根据权利要求6所述的设计高效选晶器的方法，其特征在于，所述Z型选晶器的起升角为40°，所述Z型选晶器的选晶直径为0.3cm。
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